UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA
DIPOSITIVO DE CONVERSÃO DE ENERGIA
MECÃNICA EM ENERIA ELÉTRICA APLICADA À
BICICLETA ESTACIONÁRIA
JOÃO BATISTA SOLDATI JÚNIOR
Belo Horizonte, 31de Março de 2010
DIPOSITIVO DE CONVERSÃO DE ENERGIA
MECÃNICA EM ENERIA ELÉTRICA APLICADA À
BICICLETA ESTACIONÁRIA
Dissertação apresentada ao programa de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica de Universidade Federal de Minas Gerais,
como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica.
Área de concentração: Bioengenharia
Orientador: Prof. Marcos Pinotti Barbosa
(Escola de Engenharia Mecânica)
Co-orientador: Leszek A. Szmuchrowski
(Escola de Educação Física, Fisioterapia e Terapia Ocupacional)
Belo Horizonte
Escola de Engenharia da UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Programa de pós-graduação em Engenharia Mecânica
Av. Antônio Carlos, 6627 – Pampulha – 31.270-901 – Belo Horizonte – MG
Tel.: +55 31 3409-5145 - Fax.: +55 31 3443-3783
www.demec.ufmg.br - E-mail: [email protected]
DIPOSITIVO DE CONVERSÃO DE ENERGIA
MECÃNICA EM ENERIA ELÉTRICA APLICADA À
BICICLETA ESTACIONÁRIA
JOÃO BATISTA SOLDATI JÚNIOR
Dissertação defendida e aprovada em 31/03/2010 pela banca examinadora designada
pelo Colegiado do Programa de Pós-Graduação da Escola de Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Minas Gerais, como dos requisitos necessários à obtenção do
título de “Mestre em Engenharia mecânica”, na área de concentração de “
Bioengenharia”
______________________________________________________________________
Orientador Prof. Marcos Pinotti Barbosa – Escola de Engenharia
mecânica
Prof. Leszek Antoni Szmuchrowski – Escola de Educação Física, Fisioterapia e
Terapia Ocupacional
Prof.
Examinador
Prof.
Examinador
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente e principalmente aos professores responsáveis à minha
formação em especial ao Dr. Leszek e ao Dr. Pinotti pela doutrina e credibilidade. Eles
sim atuam no sentido literal da palavra mestre.
Às pessoas as quais, sem a participação, seria simplesmente impossível essa
conquista. São os companheiros do dia-a-dia unidos na busca pelo conhecimento
ajudando-se mutuamente como uma família. Obrigado, pela minha formação acadêmica
e pessoal, e por me ensinarem tanto a aprender quanto a ensinar.
Uma parte dessa família se chama LAC (laboratório de avaliação da carga).
Agradeço em especial a Jacielle, Rodrigo, Bruno, João e Rafael pelas discussões,
debates e contribuições prestadas.
A outra parte se chama LABBIO (laboratório de bioengenharia). Agradeço em
especial a Tálita, Daniel, Fábio e Claysson pelos esforços, atenção, contribuições
prestadas e principalmente pela paciência.
A minha mãe Cléria e minhas irmãs Olinda e Grazielle pelo amor incondicional
sem o qual não teria estrutura emocional para chegar aqui. Ao meu pai João Soldati pelo
apoio mesmo do “outro lado”. Ao meu tio Ronaldo pelo exemplo e inspiração. A
Ariana, mulher da minha vida, pelo carinho e conforto. Amo vocês!
Aos voluntários pela disponibilidade e finalmente a você! Pela contribuição
financeira indireta para com o ensino público.
Obrigado!
João Soldati Jr.
"Eu poderia viver recluso numa casca de noz e me considerar rei
do espaço infinito..."
Shakespeare, "Hamlet" ,ato 2,cena 2
Citação Stephen Hawking
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................... 8
LISTA DE QUADROS E TABELAS............................................................................ 10
NOMENCLATURA....................................................................................................... 11
RESUMO ....................................................................................................................... 12
1. INTRODUÇÃO.......................................................................................................... 13
1.1 Objetivos gerais. ................................................................................................... 19
1.2. Objetivos específicos........................................................................................... 19
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 20
2.1 Energia e meio ambiente ...................................................................................... 20
2.1.1. A nova ordem energética mundial................................................................ 20
2.1.2 Matriz energética brasileira ........................................................................... 21
2.1.3 Os acordos internacionais sobre mudança do clima...................................... 23
2.1.4 Mecanismo de desenvolvimento limpo ......................................................... 24
2.2 Eco-desing. ........................................................................................................... 25
2.2.1 Potência humana............................................................................................ 26
2.3 Energia humana. ................................................................................................... 31
2.3.1 Vias metabólicas............................................................................................ 32
2.3.2 Métodos de quantificação da energia humana............................................... 35
2.3.3 Cicloergômetro. ............................................................................................. 37
2.4 Ciclismo de salão.................................................................................................. 39
2.4.1 Academias auto-sustentáveis......................................................................... 42
2.5 Conversores .......................................................................................................... 46
2.5.1 Componentes do gerador elétrico. ................................................................. 48
2.6 Eletricidade gerada por bicicleta. ......................................................................... 49
3. METODOLOGIA....................................................................................................... 57
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................... 67
5. CONCLUSÕES ......................................................................................................... 74
6. PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS..................................................... 75
ABSTRACT ................................................................................................................... 77
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 78
APÊNDICE .................................................................................................................... 83
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 – Estágios de desenvolvimento humano e consumo de energia.
FIGURA 2.1a – Evolução da demanda de energia e a taxa de crescimento econômico
FIGURA 2.1b – Evolução do crescimento populacional e da demanda per capita
FIGURA 2.2 – Evolução da estrutura da oferta de energia no Brasil.
FIGURA 2.3 – Progressão da tecnologia móvel.
FIGURA 2.4 – Fluxo de energia de um sistema de energia humana.
FIGURA 2.5 – Possibilidades do sistema de energia humana.
FIGURA 2.6 - Cicloergômetro com sistema mecânico de frenagem.
FIGURA 2.7a – Dispêndio de energia humana (do sexo masculino) em uma aula de
spinning®.
FIGURA 2.7b – Dispêndio de energia humana (do sexo feminino) em uma aula de
spinning®.
FIGURA 2.8a – Potência mecânica humana (do sexo masculino) em uma aula de
spinning®.
FIGURA 2.8b – Potência mecânica humana (do sexo feminino) em uma aula de
spinning®.
FIGURA 2.9a – Frequência cardíaca média (do sexo masculino) em uma aula de
spinning®.
FIGURA 2.9b – Frequência cardíaca média (do sexo feminino) em uma aula de
spinning®.
FIGURA 2.10 – O que fazer com o Watt.
FIGURA 2.11 – California Fitness gyms
FIGURA 2.12 – Experimento da Lei de Faraday.
FIGURA 2.13 – Gerador de corrente alternada
FIGURA 2.14 – Dínamo acoplado à bicicleta.
FIGURA 2.15 – Bicicleta com sistema de treinamento fornecido por alternador.
FIGURA 2.16 – Bicicleta geradora de energia cinética por ar comprimido.
FIGURA 2.17 – Bicicleta geradora de energia acoplada à rede elétrica..
FIGURA 2.18 – Televisor acionado por gerador montado em bicicleta.
FIGURA 2.19 – Bicicleta de dois lugares com gerador acoplado à roda traseira.
FIGURA 2.20 - Gerador montado no interior do pedal de uma bicicleta.
FIGURA 2.21 – Gerador montado na parte traseira de uma bicicleta.
FIGURA 2.22 – Esquematização de acoplamento ajustável de um alternador a vários
equipamentos.
FIGURA 3.1 – Bicicleta acoplada á estrutura de sustentação.
FIGURA 3.2a – Alternador DENSO 65 AMP 46765842 12V .
FIGURA 3.2b – Bateria chumbo-ácida (12V 7Ah) da marca UNIPOWER.
FIGURA 3.3 – Relação entre os eixos rotacionais do sistema.
FIGURA 3.4a – Placa de aquisição National Instruments 6008.
FIGURA 3.4b – Cardio-frequencímetro Polar S710.
FIGURA 3.4c – Shunt Meditec 100A – 100mV.
FIGURA 3.4 _ Chaveamento das resistências elétricas.
FIGURA 3.5 – Painel frontal (LABview 8.5).
FIGURA 3.6 – Teste caracterização velocidade angular.
TABELA 3.7 – Teste caracterização resistências elétrica.
FIGURA 3.8 – Aula padronizada spinning®.
FIGURA 4.1 – Resultado do teste de caracterização da cadência.
FIGURA 4.2 – Resultado do teste de caracterização da resistência elétrica.
FIGURA 4.3a – Freqüência cardíaca no teste de um voluntário masculino.
FIGURA 4.3b – Cadência de giro no teste de um voluntário masculino.
FIGURA 4.3c – Potência elétrica de saída no teste de um voluntário masculino.
LISTA DE QUADROS E TABELAS
TABELA 2.1 – Estimativa do requerimento da potencia humana em determinadas
atividades.
TABELA 2.2 – Consumo de potencia de alguns produtos eletrônicos.
TABELA 2.3 – A relação entre dispêndio de energia no ciclismo e o consumo de
energia de alguns produtos.
TABELA 3.1 – Teste caracterização resistências elétricas.
TABELA 4.1 Valores de potência média relativo por etapa, assim como as chaves
acionadas e seu respectivo valor de resistência.
TABELA 4.2 Resultado da freqüência cardíaca media.
TABELA 4.3 Resultado da potência media de cada voluntario e seu gênero.
TABELA 4.4 Resultado da potência elétrica de saída média para homens, mulheres e
ambos.
NOMENCLATURA
Letras Latinas
P
Potência [W]
U
Trabalho [J]
F
Força [N]
Fpeso
Peso [N]
Fatrito
Força de Atrito [N]
Tpedal
Torque produzido no pedal [Nm]
Troda
Torque produzido na roda [Nm]
Vlinear
Velocidade Linear [m/s]
R
Raio da roda [m]
VO2 máx.
Volume máximo de oxigênio consumido por kg a cada minuto
[ml/kg.min]
Letras Gregas
µ
Coeficiente de atrito dinâmico [adimensional]
ω
Velocidade angular [rad/s]
RESUMO
O mundo atual enfrenta uma crise relacionada ao aquecimento global resultado de anos
de poluição ambiental, causada principalmente, pela utilização de fontes não-renováveis
de energia. A consequência disso é a busca, por parte da comunidade governamental e
científica, pelo desenvolvimento de fontes de energia renováveis. Apesar de, em
academias de ginásticas haver considerável dispêndio de energia humana, os mesmos
não se caracterizam, por modelo de gestão energética que possa repercutir em
substancial economia no consumo mensal de energia elétrica. A concepção deste tipo de
ambiente poderia se basear na utilização de fontes alternativas de energia, funcionando,
sobretudo, como uma maneira de se aproveitar a energia mecânica proveniente do
exercício físico. Um sistema de conversão de energia foi desenvolvido no presente
estudo e acoplado na parte traseira de uma bicicleta estacionária permitindo transformar
a energia mecânica proveniente da pedalada em energia elétrica. Inicialmente foi
realizado testes de caracterização do comportamento do sistema em relação às variações
tanto da cadência de giro (rpm) quanto da resistência elétrica a ele acoplado. A
quantidade de energia elétrica passível de ser produzida em um ambiente voltado a
pratica de ciclismo indoor foi verificada. Quinze voluntários de ambos os sexos
realizaram, no sistema de conversão em questão, um protocolo de treinamento da
modalidade de ciclismo indoor (spinning®). Dados referente à frequência cardíaca
(bpm), cadência de giro (rpm) e potência elétrica de saída (W) foram coletados e
posteriormente analisados. Os resultados mostraram que o sistema desenvolvido varia a
quantidade de potência elétrica de saída em relação à resistência elétrica, e o mesmo não
ocorre em relação à cadência. Os valores da média de frequência cardíaca 158 ± 14
bpm, indicam que o protocolo de treinamento foi devidamente reproduzido. A potência
elétrica média de saída foi 60,0 ± 19,7 W. Portanto, o modelo de gestão energética que
utiliza a ação humana como fonte poderia se caracterizar pela auto-sustentabilidade
funcionando, além disso, como maneira de se aliar o bem estar físico, à consciência
ecologicamente correta.
Palavras-chave: exercício físico, conversor eletromecânico, auto-sustentabilidade
1. INTRODUÇÃO
Desde a revolução industrial, a competitividade econômica dos países e a
qualidade de vida de seus cidadãos são intensamente influenciadas pela energia, a qual
se mostra neste contexto um ingrediente essencial no desenvolvimento. Tal fato pode
ser facilmente comprovado quando é comparado o consumo de energia per capita1 por
ano de países industrializados de 5,5 TEPs (tonelada de equivalente de petróleo por
pessoa/ano) com o consumo brasileiro de 1,39 TEPs no ano de 1998 (GOLDEMBERG,
2000). Entre os fatores que contribuem para o desenvolvimento econômico alinham-se
um expressivo processo de industrialização e uma notável expansão demográfica
acompanhada de rápido aumento da taxa de urbanização, resultando, em ultima analise,
em significativo aumento no consumo de energia. Diversas são as fontes existentes no
quadro energético mundial na atualidade podendo ressaltar as fontes primarias de
energia de origem fosseis (petróleo) por sua maior participação geral. Porém no
processo de transformação desta fonte é liberado no ambiente, subprodutos químicos e
gases de efeito estufa (GEEs), principalmente o CO2, repercutindo em uma grande
desvantagem por afetar diretamente o equilíbrio do meio ambiente.
A demanda energética do ser humano evidenciada ao logo da historia por
GOLDEMBERG (1998), relaciona a quantidade de energia per capita diária (em kcal)
em seis estágios do desenvolvimento humano, demonstrando um crescimento
expressivo em todos os quatro aspectos por ele analisados; moradia/comercio,
indústria/agricultura, alimentação e transporte.
A análise parte desde o homem
primitivo (1.000.000 de anos atrás) onde a energia utilizada provinha apenas dos
alimentos em torno de 2000 kcal, passando pelo homem caçador (100.000 anos atrás)
que utilizava da combustão da madeira para gerar calor, seguindo pelo homem agrícola
(Mesopotâmia em 5000 a.c.) utiliza a energia animal para semear e colher, o homem
agrícola avançado (Noroeste da Europa, em 1400 d.c.) explorava os combustíveis
fósseis, carvão, força da água e o transporte animal, chegando no homem industrial
(Inglaterra, em 1875) que fazia uso da máquina a vapor e finalizando no homem
tecnológico (EUA, em 1970) que utiliza meios de transporte movidos, principalmente,
por combustíveis derivados do petróleo, além de equipamentos e dispositivos
1
Expressão latina que significa para cada cabeça.
14
eletrônicos; elevando seu consumo diário para, aproximadamente, 230.000 kcal/dia
como demonstrado no figura 1.1.
FIGURA 1.1 – Estágios de desenvolvimento humano e consumo de energia.
FONTE - GOLDEMBERG, 1998, p. 30.
Frente à incapacidade do planeta de manter suas condições climáticas, devido à
elevação na concentração de gases de efeito estufa, vem despertando interesse e
preocupação nas autoridades e na opinião pública mundial a respeito do aumento
gradativo da temperatura média da terra. Esta situação obrigou os países a adotarem
estratégias (QUIOTO, 1997) que resultem na diminuição percentual das emissões de
CO2, desviando dessa forma, o foco quando a questão é fonte energética. Um dos
mecanismos propostos é o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), o único que
permite a participação de países em desenvolvimento em cooperação com países
desenvolvidos. O objetivo final da redução das emissões pode ser atingido, assim, por
meio da implementação de atividades de projetos nos países em desenvolvimento que
resultem na redução das emissões de GEEs ou no aumento da remoção de CO2,
mediante investimentos em tecnologias mais eficientes, substituição de fontes de
energia fósseis por renováveis, racionalização do uso da energia, florestamento e
reflorestamento, entre outros (LOPES, 2002).
Uma dessas alternativas é o ecodesign, eco-desenho ou desenho ecológico, que
pode ser compreendido com produtos respaldados com uma postura ecologicamente
correta, através de meio de produção enfocado em funcionalidade, manuseio e sistema,
reaproveitando o máximo de materiais e levando em consideração toxicidade, escassez,
15
renovabilidade e reciclabilidade, além de redução de espessuras, não utilização de cola,
intensificação do uso de refil, entre outras iniciativas (VIECELLI, 2006).
Em produtos eletrônicos portáteis a parte relacionada ao fornecimento de energia
(pilhas e baterias) representa, assim como ao ambiente, um fator limitante no
desenvolvimento capaz de restringir o seu tamanho, peso e autonomia (SÁEZ, 2004).
Alem disso são elas também as responsáveis pela maior parte do impacto causado pelo
ciclo de vida útil de diversos produtos ao meio ambiente, sendo responsável por 50 a
85% de sua ação danosa. (JANSEN E STEVELS, 2006). Sendo assim, dispositivos que
apresentem capacidade de aproveitamento do seu sistema energético de maneira
otimizada, associado ao desenvolvimento de novas tecnologias, repercutem em
diminuição da energia necessária ao suprimento que suas funções demandam e estão
ganhando atenção no mercado eletrônico. Na tentativa de solucionar os problemas
vigentes no que diz respeito às baterias assim como fornecer opções de novas
utilizações de fontes de energias renováveis, vem firmando-se o grande interesse em
relação à conversão da energia mecânica a partir da ação humana (PANDIAN, 2004;
JANSEN E STEVELS, 2006; STARNER e PARADISO, 2004).
A idéia de se recuperar a energia proveniente da ação humana e utilizá-la no
funcionamento de produtos elétricos ou eletrônicos como lâmpadas, carregadores de
celulares, relógios de punho entre outros, leva vantagem quando comparado ao sistema
de fornecimento de energia usual (baterias) por apresentarem fatores benéficos em
consideração os aspectos econômicos e relacionados ao usuário, como citados por
Jansen (2006):
Vida útil longínqua (especialmente importante em casos de emergência)
Infra-estrutura energética independente
Independe da disponibilidade de baterias e seus custos relacionados
Utiliza energia que seria perdida (como sistema de amortecimento)
Aplicável em produtos onde existem lugares de acesso ao usuário
indesejável (não necessitando deixar o interior do aparelho acessível para a
troca de bateria).
Dessa forma lanternas, dentre outros dispositivos já existentes no mercado atual,
apresentam seu funcionamento totalmente gerido a partir do fornecimento energético
proveniente do próprio usuário (acionados com movimentos simples como apertar, girar
16
uma manivela etc.) e ganham grande preferência por parte de consumidores
principalmente pelo fato de serem dispositivos independentes, de fontes ‘’ilimitadas’’ e
poderem ser utilizados em qualquer situação inclusive em uma emergência. No âmbito
ecológico, os benefícios ambientais de produtos que usam sistema de energia humana
são baseados no fato de consumirem fontes renovável de energia durante sue ciclo de
vida útil, o que torna não poluentes por consideração. Apesar da dificuldade da
quantificação, o sistema de energia humana apresenta um baixo potencial tóxico quando
comparado as baterias assim como se mostram duas ou três vezes menos poluentes
(JANSEN e SLOB, 2003).
Visando a possibilidade de construir aparelhos eletrônicos no qual o próprio
usuário poderia servir como fonte energética, deve-se inicialmente fazer uma relação a
respeito da potencia energética (medida em Watts) que o ser humano é capaz de gerar
quando este executa movimentos específicos tanto do dia a dia quando em exercício
físico, e compará-la com o requerimento de energia do dispositivo em questão. Esta
comparação deveria levar em consideração a estratégia de conversão energética
adotada, considerando as perdas existentes no processo de conversão e de
armazenamento (refletindo a eficiência). A realização de estudos que visam explorar as
possibilidades e limitações de sistemas de energia humana (apertar botão, espremer e
girar manivela) constata sua compatibilidade quando estes são correlacionados à
dispositivos eletrônicos de baixo consumo como; pequenos rádios, mp3 players e
telefones celulares (JANSEN E STEVELS, 2006).
E notório os resultados encontrados por estudos acerca do potencial energético
humano. Uma vez conhecido o valor energético dos substratos armazenados pelo
organismo como as gorduras (1 g equivale a 9 kcal), sendo uma caloria igual a 4.19 J,
chega-se a valores aproximados de 384 MJ (mega joules) de energia disponível em uma
pessoa de 68 kg de massa corpórea sendo 15% de gordura. Dessa forma, STARNER E
PARADISO (2004) consideram o corpo humano como um gigantesco reservatório de
energia e defendem mecanismos que viabilizam coletar mesmo que uma pequena fração
desta energia estocada, com intuito de fornecer a aparelho móvel grande fonte renovável
para drenar.
A eficiência do corpo humano na conversão energética de sua forma armazenada
(gorduras) em forma de energia mecânica (movimento), calculada por McARDLE et. al.
(2003), está por volta de 20 – 30% para atividades como a caminhada, a corrida e a
pedalada estacionária, tendo como variáveis dependentes a aptidão, à técnica, bem como
17
o gênero e o tamanho corporal do indivíduo. A média dos valores referentes à eficiência
muscular, segundo o que HANSEN E SJOGAARD (2006), observaram em seu estudo,
foi de 26%, coerente com os valores citados anteriormente. Isso quer dizer que
aproximadamente um quarto da energia despendida pelo corpo humano seria
efetivamente utilizada como potência de entrada em um sistema que objetivasse
converter a ação humana em energia elétrica, estando tal valor sujeito também a
eficiência relativa à conversão músculo - energia elétrica que por sua vez dependeria da
tecnologia utilizada (eficiência do conversor). Os geradores elétricos constituem na
atualidade o meio mais usual de conversão de energia e são também chamados de
dispositivos eletromagnéticos (JANSEN E RUITER 2003).
Geradores elétricos são máquinas que tem a propriedade de transformar a
energia mecânica rotativa de entrada em energia elétrica de saída (eletricidade) fazendo
uso do fenômeno descoberto por MICHEL FARADAY (1831). O fenômeno demonstra
que quando um condutor é submetido à variação de um campo magnético (criado por
um imã ou induzido em uma bobina), resulta na ação de uma força (denominada força
eletromotriz – f.e.m), que por sua vez é causadora de corrente elétrica no condutor em
questão (Máximo e Alvarenga, 1994). A eficiência dos dispositivos eletromagnéticos
estaria por volta de 40 – 60% segundo FLIPSEN (2004).
Portanto levando em consideração 25% de eficiência humana e 50% de
eficiência de dispositivos eletromagnéticos, quando se imagina um sistema onde o
movimento rotacional aplicado ao eixo do gerador fosse proveniente da ação humana
seria plausível também imaginar que o sistema teria por volta de 12,5% de eficiência.
Nesse sentido, quanto maior fosse à ação humana (atividade física) maior seria a
quantidade de energia elétrica de saída, portanto a implementação deste sistema deveria
estar situada em ambientes onde acorressem elevados dispêndios de energia humana.
Após os anos 70, o surgimento das academias de ginástica tem sido considerado
um dos maiores fenômenos sociais em todo o mundo segundo MARINHO E
GUGLIELMO (1997) se tornado um dos principais palcos na pratica de atividade física.
Apesar de estes ambientes apresentarem um alto dispêndio de energia humana, não
existe ainda um modelo de gestão energética que pudesse efetivamente resultar em
economia quando comparado ao seu gasto de energia elétrica.
Uma das modalidades praticadas em academias de ginásticas caracterizada por
elevado impacto no metabolismo humano assim como no sistema cardiorrespiratório, e
assim sendo um elevado dispêndio de energia é o ciclismo de salão (CARIA, 2007)
18
mais conhecido pelo empréstimo lingüístico Ciclismo Indoor (CI); esse trata do
treinamento coletivo da modalidade de ciclismo em recinto fechado, e vem apresentado
crescimento vertiginoso em todo o mundo (KANG, 2005). Spinning® (marca registrada
MADD DOG ATHETICS) é um programa de treinamento de (CI) largamente praticado
ao redor do mundo foi originalmente projetado para auxiliar o treino de ciclistas
profissionais, especificamente melhorando a capacidade cardiorrespiratória, tonos
muscular e a resistência ao exercício (Johnny, 1996). Uma sessão de spinning exige que
se gaste uma elevada quantidade de energia, e portanto, spinning tem sido considerado
como uma excelente forma de se perder peso como parte de um programa de
treinamento recreativo (JOHNNY, 1996). Uma sessão de spinning é normalmente
realizada em uma sala vagamente iluminada onde os participantes pedalam juntos em
uma bicicleta estacionaria modificada acompanhada pelo ritmo de musicas e de palavras
motivadoras de um instrutor.
Associado ao alto dispêndio de energia referente à modalidade em questão está a
forma com que ela é despendida. Uma sessão de spinning tem a duração em torno de
cinqüenta minutos onde os participantes mantêm um ritmo de pedala entre 60 – 120 rpm
(rotações por minuto) continuamente (CARIA, 2007). Dessa forma tal modalidade se
mostra uma fonte de energia atraente quando o assunto é modelo gestão energético que
visa à conversão da ação humana em energia elétrica, principalmente por representarem
uma fonte de movimento rotacional continua e duradoura, assim como utilizarem como
motores primários grupos musculares de maior capacidade de geração de trabalho do
corpo; membros inferiores.
Tendo em vista a situação supracitada, o presente estudo faz menção no assunto
relacionado ao aproveitamento de fontes alternativas de energia, especificamente
aquelas provenientes de atividades físicas executadas em ambientes de ciclismo de
salão, particularmente da modalidade spinning®.
Sendo assim, o objetivo do estudo é demonstrar a quantidade de energia elétrica
que poderia ser gerada, a partir da energia mecânica proveniente do exercício físico
realizado em bicicletas estacionárias na modalidade de ciclismo indoor da marca
spinning. Além disso, verificar a magnitude da redução no consumo mensal de energia
elétrica em um ambiente, caracterizado por gerenciamento energético planejado, caso a
energia produzida via exercício físico fosse direcionada ao acionamento dos
equipamentos elétricos deste local.
19
1.1 Objetivos gerais.
•
Quantificar a energia elétrica gerada em uma bicicleta estacionaria, por
usuários submetidos a um protocolo de treinamento da modalidade de
ciclismo indoor (spinning®).
1.2 Objetivos específicos.
•
Adaptar um dispositivo de geração de energia a uma bicicleta estacionaria
para converter a energia mecânica em energia elétrica.
•
Desenvolver um dispositivo de monitoramento da energia elétrica gerada
pela bicicleta.
•
Desenvolver um mecanismo de controle do torque nos pedais.
•
Caracterizar o dispositivo quanto aos níveis de potência gerada.
•
Executar um protocolo de treinamento (spinning®) no dispositivo.
•
Analisar os valores mensurados durante o protocolo.
20
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Energia e meio ambiente
2.1.1. A nova ordem energética mundial
Atualmente, a nova ordem mundial é a busca pela auto-suficiência em geração
de energia, aliada a uma diversificação da matriz energética, ou seja, a procura por
diferentes fontes de energias alternativas que supram a demanda interna dos países, no
caso de uma escassez de combustíveis fósseis. Para tanto, os países têm que ter sob
controle fontes primárias de geração de energia elétrica, térmica e veicular e, em um
mundo globalizado, é necessário que haja uma interdependência entre os países e uma
auto-suficiência em alguma fonte de energia (IGNATIOS, 2006). Essa diversificação
trará para os países mais segurança à oferta de energia sem sucumbir às pressões de
preços de insumos ou adversidades climáticas. É necessário que haja mais investimentos direcionados para área de produção de combustíveis e geração de energia, o
que se configura como um problema, uma vez que o governo não teria recursos
suficientes para a diversificação e ampliação da matriz energética. Segundo a EPE2
(Empresa de Pesquisa Energética) estatal, vinculada ao Ministério de Minas e Energia,
caso a demanda por energia venha a crescer anualmente na ordem de 4,8%, o país
precisará investir em torno de R$ 125 bilhões para a ampliação de geração e transmissão
de energia a fim de que haja fornecimento regular sem riscos de apagão.
Esta questão energética vem gerando uma apreensão mundial e ganhando
sempre mais importância, seja pela questão ambiental, com a necessidade de se reduzir
a emissão de gases poluentes, e, conseqüentemente, o consumo de combustíveis fósseis,
seja pelo fato de uma possível e não muito distante diminuição significativa das fontes
de energia não-renováveis, o que ocorre com o petróleo, um bem finito e que atualmente
não mais consegue acompanhar o crescimento da demanda.
2
Empresa pública vinculada ao Ministério de Minas e Energia, criada em 2004 com a finalidade de
elaborar estudos e pesquisas destinados a subsidiar o planejamento do setor energético nacional.
21
2.1.2 Matriz energética brasileira
Ao longo do século XX o Brasil experimentou intenso desenvolvimento
econômico, que se refletiu numa crescente demanda de energia primária. Entre os
fatores que determinaram tal crescimento alinham-se um expressivo processo de
industrialização, e uma notável expansão demográfica, acompanhada de rápido aumento
da taxa de urbanização (TOLMASQUIM et al, 2007). As figuras 2.1a e 2.1b mostram a
tendência de crescimento na demanda de energia e populacional para os próximos 20
anos. Considerando- se apenas o período a partir de 1970, a série histórica da evolução
do consumo de energia e do crescimento populacional indica que naquele ano a
demanda de energia primária era inferior a 70 milhões de tep (toneladas equivalentes de
petróleo), enquanto a população atingia 93 milhões de habitantes. Em 2000 a demanda
de energia quase triplicou, alcançando 190 milhões de tep, e a população ultrapassava
170 milhões de habitantes (TOLMASQUIM et al, 2007).
(a)
(b)
FIGURA 2.1a – Evolução da demanda de energia e a taxa de crescimento econômico.
FIGURA 2.1b – Evolução do crescimento populacional e da demanda per capita.
FONTE – EPE.
Em conformidade com a prospectiva formulada para a economia brasileira, os
estudos de longo prazo conduzidos pela EPE apontam forte crescimento da demanda de
energia nos próximos 25 anos. Estima-se que a oferta interna de energia crescerá a 5%
ao ano no período 2005-10 e que nos anos subseqüentes haverá um crescimento menor
— de 3,6% e 3,4% ao ano nos períodos 2010-20 e 2020- 30, respectivamente — devido,
22
sobretudo, a uma maior eficiência energética tanto do lado da demanda como da oferta.
No entanto, esse crescimento deve ser qualitativamente diferente. Além de um
crescimento sustentado, pode-se esperar um aumento muito mais intenso da renda per
capita e também uma melhor distribuição de renda. Esses fatores, aos quais se soma o
consumo de energia per capita, atualmente muito baixo para os padrões mundiais (de
1.190 tep/103 hab.), justificam o crescimento da demanda nacional de energia para 3,8%
ao ano em 2030, superando 550 milhões de tep.
Cabe ressaltar uma clara tendência de diversificação da matriz energética
brasileira. Como se pode observar no Gráfico 2.2, em 1970 apenas duas fontes de
energia, petróleo e lenha, respondiam por 78% do consumo, enquanto em 2000 três
fontes correspondiam a 74% do consumo: além de petróleo e lenha, a energia hidráulica
Projeta-se para 2030 uma situação em que quatro fontes serão necessárias para
satisfazer 77% do consumo: além de petróleo e energia hidráulica, cana-de-açúcar e gás
natural — com redução da importância relativa da lenha.
Destaque-se ainda a reversão da tendência de redução da participação das fontes
renováveis na matriz energética brasileira. Em 1970 essa participação era superior a
58%,em virtude da predominância da lenha. Com a introdução de recursos energéticos
mais eficientes, a participação das fontes renováveis caiu para 53% no ano 2000 e
chegou a 44,5% em 2005. Essa tendência deve ser mantida nos próximos anos, mas
visualiza-se a possibilidade de reversão a partir de 2010 como indica a figura 2.2 (EPE):
FIGURA 2.2– Evolução da estrutura da oferta de energia no Brasil.
FONTE – EPE
23
2.1.3 Os acordos internacionais sobre mudança do clima
Os problemas ambientais globais começaram de fato a fazer parte da agenda
internacional com a Conferência de Estocolmo, em 1972, mas a questão do aquecimento
global só começou a adquirir uma maior importância com a realização da Primeira
Conferência Mundial sobre o Clima, em 1979, pela Organização Meteorológica
Mundial3 das Nações Unidas. Nesta ocasião, os países participantes chegaram à
conclusão de que a queima de combustíveis fósseis, o desmatamento e as mudanças no
uso do solo aumentaram o montante de CO2 na atmosfera em 15% durante os cem anos
que precederam esta conferência (BRAZ, 2003). Este trabalho teve continuidade, onze
anos depois, em 1990, com a elaboração do Primeiro Relatório de Avaliação do Painel
Intergovernamental de Mudanças Climáticas4. Esse esforço foi traduzido politicamente
na constituição do Comitê Negociador Internacional para uma Convenção sobre
Mudança do Clima.
Em 1992, o Rio de Janeiro recebeu representantes de 178 governos que
participaram da Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e
Desenvolvimento5. Dentre os principais resultados desta Conferência, teve especial
destaque a Convenção- Quadro nas Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas
(CQNUMC), que trouxe a proposta de que fossem realizadas conferências freqüentes
sobre o clima para monitorar os progressos obtidos e revisar as medidas tomadas para
reduzir a emissão global de GEEs (gases de efeito estufa) (RODRIGUES, 2004).
Desse modo, os signatários da Convenção-Quadro foram divididos em dois
grupos. O primeiro denominado países Partes Anexo I, engloba os países desenvolvidos
da Organização para a Cooperação e o Desenvolvimento Econômico (OCDE) e os
países industrializados ex-comunistas em transição para a economia de mercado, que
possuem compromissos de redução de gases de efeito estufa. O segundo grupo,
denominado países Partes não-Anexo I, agrega os países em desenvolvimento, que não
possuem compromissos de redução, mas ficam obrigados a elaborarem inventários
nacionais de emissões de carbono (VIOLA, 2003,).
Buscando priorizar os trabalhos, a Conferência das Partes (COP), órgão supremo
da Convenção, tem a responsabilidade de acompanhar e examinar a implementação dos
objetivos propostos, além de tomar as decisões necessárias para promover a sua efetiva
3
World Meteorological Organization (WMO).
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)
5
United Nations Conference on Environment and Development (UNCED92).
4
24
concretização. Esta implementação é feita mediante a realização periódica de
Conferências subseqüentes, nas quais, por intermédio de tratados específicos, criam-se,
desenvolvem-se e implementam-se técnicas para o alcance do objetivo final da
Convenção-Quadro.
A mais significativa das Conferências, realizada em dezembro de 1997, em
Quioto (Japão), contou com a presença demais de 160 países que se empenhavam em
cumprir o Mandato de Berlim, adotando, assim, o Protocolo de Quioto, incluindo metas
e prazos relativos à redução ou limitação das emissões futuras de GEEs. Este Protocolo
foi aprovado em meio a discussões extremamente difíceis e complexas, deixando vários
artigos e decisões a serem tomadas nas Conferências das Partes posteriores, nas quais
predominaram um clima de impasse com relação a esses pontos-chave (BRASIL.
SENADO FEDERAL, 2004).
De acordo como Protocolo, os países desenvolvidos aceitaram compromissos
diferenciados de redução ou limitação de emissões entre 2008 e 2012, representando, no
total dos países desenvolvidos, redução em pelo menos 5% em relação às emissões
combinadas de gases de efeito estufa de 1990. As emissões consideradas são aquelas
geradas por atividades humanas no setor energético, em processos industriais, no uso de
solventes, no setor agropecuário e no tratamento de resíduos (BRASIL. SENADO
FEDERAL, 2004).
2.1.4 Mecanismo de desenvolvimento limpo
Um dos mecanismos propostos é o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
(MDL), o único que permite a participação de países em desenvolvimento em
cooperação com países desenvolvidos. O objetivo final da redução das emissões pode
ser atingido, assim, por meio da implementação de atividades de projetos nos países em
desenvolvimento que resultem na redução das emissões de GEEs ou no aumento da
remoção de CO2, mediante investimentos em tecnologias mais eficientes, substituição
de fontes de energia fósseis por renováveis, racionalização do uso da energia,
florestamento e reflorestamento, entre outros (LOPES, 2002).
25
2.2 Eco-desing.
O objetivo de produtos projetados com visão ambientais, em geral denominados
‘eco-desing’ ou mais especificamente produtos ecologicamente corretos projetados
levando em consideração o processo de reciclagem, é a diminuição do impacto
ambiental total causado por ele, ou por sua utilização durante seu ciclo de vida útil
(JANSEN E STEVELS, 2004). Vários métodos podem ser encontrados na literatura na
busca de estratégias para aperfeiçoar o potencial do impacto ambiental de produtos
industrializados (DEWBERRY, 1996).
Cálculos feitos pela Philips® baseados em aproximadamente cinquenta estudos
sobre o ciclo de vida de aparelhos eletrônicos mostram que o consumo de energia é
responsável por 50 – 85% do impacto ambiental total desses produtos (JANSEN E
STEVELS, 2006). O sistema de fornecimento de energia de um aparelho eletrônico
(bateria) é talvez o fator mais limitante na tecnologia móvel, capaz de restringir seu
peso, tamanho e autonomia (JASEN et al, 2000).
A elevação notável do consumo de energia global causa também um aumento no
número de problemas ambientais. Além disso, esta claro que vários países (Estados
Unidos, grande parte da Europa etc.) não serão capazes de cumprir totalmente o tratado
de Quioto em reduzir a emissão de CO2. Por esta razão a pressão política e social em
desenvolver produtos com menor consumo de energia esta aumentando (JANSEN E
STEVELS, 2006).
Assim como mostra a figura 2.3, a capacidade da bateria é uma das mais
retardatárias na tendência da computação móvel. Durante a progressão da tecnologia em
13 anos para computadores portáteis, uma tecnologia consideravelmente madura, a
capacidade de armazenamento de informações (Bytes) aumentou em torno de 4000
vezes desde 1990 ate 2002, enquanto a bateria evoluiu em uma escala
consideravelmente menor na densidade de energia (J/Kg), se mostrando incapaz de
acompanhar a evolução tecnológica (STARNER E PARADISO 2004).
26
FIGURA 2.3 – Progressão da tecnologia móvel.
FONTE – STARNER E PARADISO, 2004.
2.2.1 Potência humana
Potencialmente, existe uma maneira em torno das limitações provenientes da
bateria e sua disponibilidade de energia limitada para suprir as necessidades de
aparelhos eletrônicos: extrair energia do próprio usuário. O corpo humano é um
tremendo estoque de energia onde apenas um grama de gordura equivale a nove
quilocalorias que por sua vez equivale a nove mil calorias, ou como mostra a equação
2.1 (STARNER E PARADISO 2004):
(2.1)
Uma pessoa em média pesando 68 kg com 15% de gordura corporal têm
estocado em seu corpo aproximadamente o equivalente a (equação 2.2):
(2.2)
27
Portanto, se pudéssemos coletar mesmo que uma pequena fração desta energia
estocada, um aparelho móvel teria uma grande fonte renovável para drenar. Seguindo
esta visão, pesquisadores estão desenvolvendo células combustíveis in-vivo que oxida a
glicose sanguínea para fornecer uma pequena quantidade de energia (cerca de
microwatts) com objetivo de suprir implantes de baixa necessidade energética (válvulas
cardíaca, sensores biomédicos eficientes ou transmissores rastreadores de animais),
infiltrando diretamente no processo biológico que transforma gordura em energia,
porém ainda além da tecnologia atualmente disponível (KIM, et. al. 2003)
Por outro lado, é possível coletar a energia do usuário indiretamente,
provenientes de atividades cotidianas ou geradas intencionalmente por ele. De fato,
produtos existentes no mercado há anos (lanternas, rádios, relógios etc.) já operam dessa
forma, e pesquisadores estão trazendo outros produtos para este nicho, enquanto tentam
achar caminhos alternativos para drenar o excesso de energia da atividade humana
(COOPER, 2001; KENNEALLY, 2000).
Dentro dos caminhos existentes que utilizam o corpo humano como fornecedor
de um sistema de energia está:
•
Trabalho por forças exercidas por partes do corpo.
•
Variações na temperatura.
•
Fluxo sangüíneo.
•
Reações químicas.
Grupos de pesquisadores como PSE6 focam seus estudos especificamente na
geração de energia proveniente de forças exercidas por partes do corpo humano (girar
uma manivela, espremer etc.). Estudos anteriores (DAAMS, 1994 e STARNER, 1996)
mostram os limites físicos do corpo humano em produzir trabalho em curtos períodos de
tempo. Os próximos passos na pesquisa em sistema de energia humana consistem em
modelar e quantificar a relação entre a funcionalidade do produto, motivação e
considerações a respeito do desconforto associados a este sistema (JANSEN E
STEVELS, 2006).
6
(Personal Energy Systems) Grupo de pesquisa da Delft University of Technology.
28
Um modelo descritivo de um sistema de energia humana em um produto,
focando o fluxo de energia é mostrado na figura 2.4. O sistema de energia pode ser
integrado (on board) ou separado do produto (charger).
FIGURA 2.4 – Fluxo de energia de um sistema de energia humana.
FONTE – JANSEN E STEVELS, 2006.
Estimações no requerimento de potência em diferentes tipos de forças exercidas
foram determinadas anteriormente (JANSEN E STEVEL, 1999) e estão mostradas na
tabela 2.1. Para ser capaz de colocar estas estimações dentro da perspectiva de
aplicabilidade de produtos eletrônicos, foi mensurada a potência consumida de alguns
aparelhos (JANSEN E STEVEL, 1999) como mostra a tabela 2.2.
DESCRIÇÃO DO MOVIMENTO
DEMANDA DE
POTÊNCIA HUMANA (W)
Apertar botão (16 N x 40 mm)
0.64
Espremer com a mão (400 N x 30 mm)
12
Girar manivela (30 N x 100 mm x
28
90 rpm x 2π/60)
TABELA 2.1 – Estimativa do requerimento da potência humana em determinadas
atividades.
FONTE – JANSEN E STEVEL, 1999.
29
PRODUTO
MÉDIA DA DEMANDA DE POTÊNCIA
Rádio portátil pequeno
30mW
Walkman
60mW
Controle remoto (TV)
100mW
Celular (talk/stand-by)
2 W/35 mW
Lanterna
4W
Vídeo tela LCD
6W
Computador portátil (laptop)
10 W
50/74/111 W
TV (53/67/wide screen)
TABELA 2.2 – Consumo de potência de alguns produtos eletrônicos.
FONTE – JANSEN E STEVEL, 1999.
Considerações simples nos mostram que a quantidade total de energia produzida
pelo corpo humano deve ser maior que a quantidade de energia dissipada por ambos o
sistema de conversão/estoque e pelo produto propriamente dito. Para isto utiliza-se a
equação 2.3 (JANSEN E STEVELS, 2006):
(2.3)
Onde:
ηa (a de 1 até n)
:
Eficiência do sistema de energia total (consiste de n passos
incluindo a eficiência de armazenamento, eficiência de transferência, etc).
W(humana)
: Potência
de entrada fornecida pelos músculos.
W(produto)
: Potência consumida do produto.
Combinando estes dois conjuntos de dados utilizando esta equação, (assumindo
25% de eficiência), foi possível predizer de maneira teórica as possibilidades do sistema
de energia humana em suprir continuamente produtos eletrônicos como mostra a figura
2.2 (JANSEN E STEVELS, 2006).
30
FIGURA 2.5 – Possibilidades do sistema de energia humana.
FONTE – JANSEN E STEVELS, 2006.
Seguindo esta ideologia, vários estudos de casos foram realizados visando
explorar as possibilidades e limites do sistema de energia humana sendo que a maior
parte deles foi realizada em cooperação com indústrias (Volvo, Philips Nokia, etc.).
Através destes estudos foi capaz de analisar as potenciais vantagens deste sistema
quando comparada ao sistema de suprimento energético portátil existente atualmente
(baterias). Estas potenciais vantagens são manifestadas em três diferentes áreas:
ecológica, econômica e relacionadas ao usuário. Dentro das duas ultimas área estão
(JANSEN E STEVELS, 2006):
• Vida útil longínqua (especialmente importante em casos de emergência).
• Infra-estrutura energética independente.
• Independe da disponibilidade de baterias e seus custos relacionados.
• Utiliza energia que seria perdida (como sistema de amortecimento).
• Aplicável em produtos onde existem lugares de acesso ao usuário.
indesejável (não necessitando deixar o interior do aparelho acessível para
a troca de bateria).
31
Na área ecológica, os benefícios ambientais de produtos que usam sistema de
energia humana são baseados no fato de não consumirem fontes não renovável de
energia durante sue ciclo de vida útil, o que os torna não poluentes por consideração.
Apesar da dificuldade da quantificação, o sistema de energia humana apresenta um
baixo potencial tóxico quando comparado as baterias assim como se mostram duas ou
três vezes menos poluentes (estudos considerando um ciclo de vida de cinco anos)
(JANSEN E SLOB, 2003).
STEVELS (2001) desenvolveu o chamado ‘three shades of green’ (três faces do
verde) referindo-se as diferentes perspectivas no campo de atuação da proteção
ambiental. Os grupos são diferenciados por suas ideologias e definições sobre o que é
benéfico ao ambiente. Primeiramente o grupo dos consumidores que se baseiam na
educação, crenças, gênero, idade ou experiências e atitudes sociais. Em seguida o grupo
científico com suporte em resultados provenientes de métodos de mensuração
cientificamente válidos. Por fim o grupo governamental, essencialmente baseado em
crenças originaria do ponto de vista político, mas também influenciada por aspectos
geográficos, disponibilidade de recursos naturais e situação da economia. Apesar de
quaisquer diferenças nas perspectivas destes grupos, a opinião final é a mesma em
relação ao sistema de energia humana: é bom para o meio ambiente.
2.3 Energia humana.
O homem, para se manter vivo, necessita dos três substratos energéticos básicos,
isto é, hidratos de carbono, proteínas e lipídios, provenientes dos alimentos. Esses
substratos energéticos são oxidados pela célula, produzindo energia (BURTON, 1979).
Nesse processo oxidativo, é consumido oxigênio e produzido gás carbônico. Desde o
século XVIII, demonstrou-se que a respiração modifica o ar atmosférico, diminui seu
volume, muda sua natureza e, em curto espaço de tempo, perde a propriedade de manter
a vida (COUTINHO, 1981; SCHUTZ, 1995). Foi Lavoisier quem descobriu a existência
do oxigênio, e demonstrou a produção de gás carbônico, comparando a combustão de
uma vela de gordura de carneiro à respiração de uma cobaia. Escreveu então: “é apenas
uma combustão lenta de carbono e hidrogênio, que se assemelha ao que se passa em
uma lâmpada ou vela acesa, e, sob esse ponto de vista, os animais que respiram são
verdadeiros corpos combustíveis que se queimam e se consomem (COUTINHO, 1981).
32
Dessa forma, quando uma analogia é feita entre o corpo humano e a máquina, podemos
afirmar que esta máquina utiliza motor à combustão interna como gerador de energia.
Sabe-se que a eficiência desta máquina se encontra, de acordo com McARDLE e
colaboradores (2003), por volta de 20 – 30% para atividades como a caminhada, a
corrida e a pedalada estacionária, tendo como variáveis dependentes a aptidão, a
técnica, bem como o gênero e o tamanho corporal do indivíduo. A média dos valores
referentes à eficiência muscular, segundo o que HANSEN E SJOGAARD (2006),
observaram em seu estudo, foi de 26%, coerente com os valores citados anteriormente.
McARDLE calcula a eficiência mecânica humana através do produto da divisão entre o
trabalho externo e o influxo de energia pelo escalar 100 (equação 2.4).
Eficiência Mecânica =
x 100
(2.4)
2.3.1 Vias metabólicas.
Porém o sistema de fornecimento de energia do corpo humano está longe de ser
tão simples quanto a de um motor a combustão. Existem diferentes combustíveis que
podem ser utilizados assim como diferentes formas de se extrair a energia contida neles,
de maneira que a máquina humana é capaz de usar tais variações de acordo com a carga
de trabalho que a ela está sendo imposta. Essas variações modificam a eficiência do
fornecimento de energia que é compensada com a velocidade com que a energia é
disponibilizada.
O exercício físico demanda intenso consumo de adenosina trifosfato (ATP)7.
Nos músculos esqueléticos existem sistemas eficientes que permitem a constante
ressíntese do ATP. Estes sistemas são: fosfagênio (ATP, creatina fosfato), glicolítico e
oxidativo (POWERS; HOWLEY, 2006).
Cargas de trabalho de baixa intensidade e longa duração com mobilização de 1/6
a 1/7 da musculatura esquelética total são características das atividades aeróbicas,
7
Responsável pelo armazenamento de energia em suas ligações químicas.
33
promovendo, portanto, adaptações no sistema cardiorrespiratório e nos processos
celulares oxidativo. (HOLLMANN & HETTINGER, 1989).
O sistema de fornecimento de energia de forma aeróbica ou oxidativo utiliza o
oxigênio para realizações de suas diversas reações químicas, tendo como produto final
dióxido de carbono e água. Enquanto no sistema anaeróbico as reações químicas
ocorrem dentro do liquido celular denominado sarcoplasma, no sistema aeróbico
ocorrem em compartimentos especializados chamados mitocôndrias. Caso ao término
da primeira fase de reações denominada glicólise, haja presença de oxigênio, o ácido
pirúvico que é uma decomposição da glicólise, se transformará em acetilcoenzima A
(acetil co-A). O acetil co-A entrará na mitocôndria dando continuidade a produção de
ATP através de duas series de reações químicas conhecidas como: Ciclo de Krebs e
Sistema de Transporte de Elétrons (FOX & MATHEWS, 1986).
Neste sistema tanto o carboidrato em forma de glicose quanto as gorduras em
forma de ácidos graxos livres podem ser utilizados como substrato energético. A glicose
é estocada em forma de glicogênio muscular e hepático e as gorduras em forma de
tecido adiposo subcutâneo e também no próprio músculo. A gordura é decomposta
inicialmente por uma serie de reações químicas denominadas beta oxidação,
preparando-a para penetrar no ciclo de Krebs e no sistema de transporte de elétrons
(McARDLE, 1996).
Segundo FOX & MATHEWS (1986), a necessidade de energia para as funções
vitais em repouso é suprida principalmente por carboidratos e gorduras. Na atividade
física a utilização de da glicose ou do ácido graxo está diretamente ligada à intensidade
e a duração do trabalho. As reservas de gorduras ao contrário dos carboidratos são
‘’ilimitados’’, porém para sua maior metabolização dependerá do tipo de trabalho, da
intensidade da carga, da duração, da musculatura empregada e do tipo de fibras
muscular (WEINECK, 1991). Como para metabolização de ácidos graxos necessitamos
de grandes quantidades de oxigênio, quanto maior for a intensidade maior será a
utilização da glicose. Por outro lado, para que seja possível a metabolização dos ácidos
graxos, é necessário que os mesmos sejam retirados dos depósitos de gordura através da
ação de diversos hormônios e transportados para a musculatura ativa através da corrente
sanguínea, o que levaria um tempo relativamente longo. O inicio da mobilização da
gordura acontece em media de 15 a 30 minutos dependendo do nível de aptidão física.
Indivíduos treinados mobilizam ácidos graxos mais rapidamente que indivíduos
destreinados (McARDLE, 1996). Nas atividades de longa duração com baixa
34
intensidade inicialmente os carboidratos são utilizados em maior quantidade, mas
gradualmente o processo vai se invertendo passando a serem mais utilizadas às
gorduras. Este evento deve-se a diminuição do glicogênio muscular e hepático,
aumentando de 5 a 6 vezes a quantidade de ácidos graxos circulantes no sangue
(McARDLE, 1996).
As atividades aeróbicas com características cíclicas como as corridas e o
ciclismo são realizadas através de movimentos que iniciam e terminam completando um
ciclo, facilitando a manutenção estável da frequência cardíaca.
Durante a realização da uma atividade aeróbica, os sistemas anaeróbicos são
acionados para suprirem a necessidade momentânea de energia sendo por oscilações da
frequência cardíaca ou através de aumento na intensidade de trabalho (LEITE, 1986).
Nas situações em que o nível do consumo de oxigênio estiver abaixo do necessário para
a produção de energia, constitui-se um déficit de oxigênio, fazendo com que os sistemas
ATP-CP e glicolítico tenham que suprir estas necessidades. Isso ocorre tanto na
transição do repouso para o exercício, como no aumento da intensidade durante a
prática da atividade (FOX & MATHEWS, 1986).
O sistema ATP-CP ou anaeróbico alático utiliza a energia proveniente da
separação das moléculas de creatina (C) e fosfato (P), de um componente químico
denominado creatina fosfato (CP), para ressintetizar o ATP. Este sistema processa
reduzidas reações químicas sem a presença de oxigênio, gerando energia muito
rapidamente para o prosseguimento das contrações musculares.
A energia resultante deste sistema, apesar de ser imediata, é suficiente para uma
duração máxima de 20 segundos de trabalho muscular. Este sistema é o principal
responsável pela produção de energia em exercícios físicos de curta duração e altas
intensidades como corridas rápidas em distâncias curtas, sucessão de saltos,
levantamentos intensos de pesos e sprints no ciclismo.
O sistema glicolítico ou anaeróbico lático é mobilizado quando a atividade
necessita de uma grande quantidade de energia, por um período de tempo relativamente
curto, porém superior ao sistema anterior. Neste caso a contração muscular é realizada
de forma tão rápida e intensa, que o sistema cardiorrespiratório ainda não consegue
suprir a demanda de oxigênio para a ressíntese de ATP, fazendo com que parte do
mesmo seja produzida sem a presença de oxigênio, ou seja, de forma anaeróbica
(McARDLE ET al., 1996).
35
O sistema utiliza a glicose como substrato energético e o processo da quebra
deste substrato e chamado de glicólise, onde através de diversas reações químicas
facilitadas por diversas enzimas que não necessitam de oxigênio, resultam na produção
de energia para ressintetizar 2 moléculas de ATP (FOX & MATHEWS, 1986). Durante
este processo, os átomos de hidrogênio da molécula de glicose são retirados formando
um composto denominado lactato, que se difunde rapidamente dos músculos para o
sangue.
Nas atividades de alta intensidade sustentada a partir de 20 segundos, esse
sistema assume um papel dominante, com pico máximo de 40 a 45 segundos, podendo
suprir a energia necessária por cerca de 60 segundos (McARDLE et al., 1996).
2.3.2 Métodos de quantificação da energia humana
Existem varias maneiras de se quantificar a energia despendida pelo corpo
humano quando este realiza determinado movimento. Contudo qualquer que seja o
parâmetro analisado estará incluído em uma dessas quatro categorias principais
(Neptune e Bogert, 1997); (1) energia metabólica, (2) trabalho externo, (3) métodos
cinemático (4) métodos cinético com os últimos três sendo derivados dos fundamentos
da mecânica.
Energia metabólica reflete o custo energético do movimento medindo-se a taxa
de oxigênio consumido (VO2)8, transformado, num segundo momento, em Kcal
(kilocalorias), através da igualdade: 1,0 LO2 = 5,0 kcal (MCARDLE et al, 2003). Porém
este método tem a desvantagem de ser limitado a atividades submáximas onde a via
energética predominante é aeróbica, além de ser uma medida global tornando difícil
isolar o custo associado a diferentes componentes atrás do sistema como um músculo
específico ou parâmetros mecânicos.
A segunda abordagem, trabalho externo, tenta estimar o custo energético através
da quantidade de trabalho necessário para vencer forças do ambiente, uma vez que essas
variáveis são dependentes entre si. Por exemplo, forças aerodinâmicas no ciclismo e a
força de arrasto na natação dependem da orientação e da velocidade dos segmentos
corporais e podem ser determinados experimentalmente. Para essas atividades a medida
8
Capacidade individual do corpo de transportar e utilizar o oxigênio.
36
de trabalho externo é indicador de economia de movimento, mas não fornece
informações acerca da energia despendida no sistema. Em outras aplicações, o trabalho
externo é uma constante e parte das especificações do teste como em um cicloergômetro
a 90 rpm e 200 w (NEPTUNE E BOGERT, 1997).
A terceira abordagem, método cinemático, baseia-se em mudanças na cinética e
na energia requerida pelo trabalho.
Esta abordagem estima o trabalho mecânico
baseado na mudança cinética e nas energias potenciais do centro de massa do corpo e/ou
segmento corporal separado. A energia instantânea de um segmento corporal n é
representada na equação 2.5 (WINTER, 1979):
Eb(t) =
+
+
(2.5)
Onde Eb(t) e a energia instantânea de um segmento corporal n, PE(i,t) a energia
potencial do i-ésimo segmento no tempo t, TKE(i,t) a energia cinética translacional do
i-ésimo segmento no tempo t e RKE(i,t) sendo a energia cinética rotacional do i-ésimo
segmento no tempo t.
As mudanças no sistema de energia são então usadas para estimar a potência
mecânica e quando somadas durante todo o ciclo representa o trabalho mecânico. Esta
definição de trabalho mecânico e dita ‘’interna’’, isto é, e energia requerida para mover
o segmento (WINTER, 1979, equação 2.6):
WINTERNO =
(2.6)
37
Onde t representa a duração do movimento. Quando existe trabalho externo
significativo contra o ambiente, como no ciclismo, a quantidade de trabalho externo está
sendo somada à estimativa cinemática para determinar o trabalho total (Winter, 1979).
Este tipo de abordagem tem sido usado em trabalhos que analisam a caminhada (Wells e
Evans, 1987), assim como corrida e pedalada (CAVAGNA E KANEKO, 1977).
O método cinético, finalizando as quatro categorias, é baseado na análise
dinâmica inversa e usa o trabalho realizado pelo torque hipotético da articulação atuante
como medida de gasto energético do movimento. Esta abordagem tem sido aplicada em
ciclismo (INGEN SCHEENAU et AL, 1990; KAUTZ et al, 1994) para obter a energia
mecânica muscular gasta (EMMG) e a soma do trabalho positivo e negativo (P)
realizado pelos torques articulares dos n-inter segmentos (equação 2.7):
EMMG =
(2.7)
2.3.3 Cicloergômetro.
Aparelhos denominados ergômetros (do grego εργον = trabalho, e µετρον =
medida), são aqueles capazes de avaliar o movimento relacionado à corrida realizada
em esteira, à pedalada (cicloergômetro) além de outros tipos como step e remada.
Dentro dessas abordagens o ciclismo atrai maior atenção na busca de métodos de
mensuração do desempenho humano em movimento em virtude de sua relativa
facilidade de execução. FARIA (1992), destaca os cicloergômetros (convencionais e
modificados) como dispositivos capazes de mensurar a máxima energia humana
produzida. Sendo assim tais dispositivos quantificam a capacidade individual
relacionada à produção de energia em curtos espaços temporais, conhecida por potência
anaeróbia. Em contrapartida, quando a análise é voltada para atividades executadas em
períodos de tempos longos, a capacidade humana de gerar potência é conhecida como
aeróbica.
Potência pode ser entendida como a capacidade de gerar trabalho (energia)
relativo ao tempo, e tem como unidades de mensuração o watt (W) onde 1W é definido
como 1 Joule [J] de energia transferida por segundo (s) [W = J/s = kgm/s = N.m/s].
38
Uma vez que energia designa tudo que pode ser transformado em calor, a mensuração
das potências aeróbia e anaeróbia humana em um dado grupo muscular significa
quantificar a integração mútua de diversos sistemas e órgãos (pulmões, coração,
músculos ativos), envolvidos no transporte e no consumo de oxigênio. O cicloergômetro
(FIG. 2.6), segundo SILVA (2006), apresenta em sua estrutura física, mecanismos
capazes de mensurar o trabalho e a potência resultante de esforço físico exercido com
determinada duração.
FIGURA 2.6 - Cicloergômetro com sistema mecânico de frenagem.
De acordo com McARDLE et al. (2003), a potência no cicloergômetro
é
calculada através da Força x Distância (número de revoluções multiplicado pela
distância por revolução) ÷ Tempo em minutos. Os incrementos na potência de saída
seria determinada por forçar verticais aplicadas no pedal e no pedivela as quais resultam
em maior trabalho por rotação (FARIA, 1992), podendo, portanto utilizar a potência
mecânica como parâmetro na determinação da intensidade do exercício realizado em
cicloergômetro associado ao que esses autores classificam como carga resistiva (DIAS
et al. 2007).
Existem variados protocolos com intuito de mensurar o desempenho humano
em cicloergômetros, dentro dos quais podemos citar por sua larga utilização, o teste
anaeróbico de Wingate (BAR-OR, 1987). Atualmente fisiologistas e treinadores
assumem a mensuração do trabalho e da potência, como a carga (no cicloergômetro
representada pela massa suspensa causadora, por sua vez de tensão da correia sobre a
roda) multiplicada pela distância através da qual a roda, freada pela massa suspensa, é
movida (a cada giro do pedal, a roda do cicloergômetro adotado, percorre a distância de
6m) (BAR-OR, 1987).
39
GORDON et al (2004), consideram esta abordagem passível de erros
relacionados a análise mecânica do mecanismo de frenagem adotado da mesma forma
que LAKOMY (1986) relata que os métodos de mensuração do trabalho mecânico em
cicloergômetros, não consideram possíveis erros que possam surgir, quando se assume
que a roda esteja se movendo em velocidade constante descartando
o trabalho
requerido nas fases referentes à aceleração e à desaceleração. Dessa forma,
intencionando minimizar tal fonte de incerteza, propôs um método de cálculo da
potência, que consideraria o produto entre a velocidade instantânea da roda e a
resistência (força) externa efetiva, esta última, por meio da consideração da força de
atrito aplicada na roda e do peso que se oporia à aceleração da mesma.
Em eventos caracterizados por alta intensidade como ‘’the tour de
france’’(competição de ciclismo) a potência máxima de saída encontra-se em torno de
350W realizados durante 1 hora podendo chegar a atingir 400W de potência em atletas
específicos da modalidade como cita LÚCIA et al (2003).
Quando comparado os métodos de mensuração da potência e do trabalho em
cicloergômetros de maneira indireta (representadas por equações padrões fornecidas
pelo fabricante do equipamento) e de maneira direta obtida através do produto entre a
velocidade angular da roda (medida por tacômetro) e o torque de frenagem (mensurada
a força de atrito entre a correia e a roda), verificou-se alta discrepância entre os
resultados. Os valores médios obtidos por meio do método modificado foram de 147,45
W e 26.460 J para potência e trabalho respectivamente enquanto os valores padrões
foram de respectivamente 183 W e 33.067 J. Da mesma forma, FRANKLIN et al.
(2006) constataram discrepância de 12 a 14% em valores de trabalho e potência, obtidos
através de mensuração direta no teste anaeróbio de Wingate, os quais foram inferiores
aos valores baseados em equações padrão.
2.4 Ciclismo de salão
Com a popularização dos diversos tipos de bicicleta, o ciclismo começou a ser
largamente praticado ao ar livre e em recintos fechados com o uso da bicicleta
estacionária. Nesse contexto, surgiram os departamentos de ergometria em academias,
clínicas médicas e centros desportivos, posteriormente, surge o Ciclismo de Salão, mais
conhecido pelo empréstimo lingüístico Ciclismo Indoor (CI); esse trata do treinamento
coletivo da modalidade de ciclismo em recinto fechado, e vem apresentado crescimento
40
vertiginoso em todo o mundo (VILLALBA, 2005; DOMINGUES, 2005; KANG et. al.,
2005). Assim, é percebido um grande movimento em direção à prática do ciclismo
indoor, o que pode ser explicado pelo êxodo dos praticantes de ciclismo em busca de
segurança,
por
condições
climáticas
favoráveis,
treinamento,
praticidade
e
distanciamento do trânsito dos grandes centros urbanos (VILLALBA, 2005; MELLO,
2004) além do interesse por parte dos praticantes, pelo grande potencial da modalidade
nos processos de emagrecimento e condicionamento físico (DESCHAMPS E
DOMINGUES, 2005).
Spinning® (marca registrada MADD DOG ATHETICS) é um programa de
treinamento de (CI) largamente praticado ao redor do mundo foi originalmente
projetado para auxiliar o treino de ciclistas profissionais, especificamente melhorando a
capacidade cardiorrespiratória, tonos muscular e a resistência ao exercício (JOHNNY,
1996). Uma sessão de spinning exige que se gaste uma elevada quantidade de energia e,
portanto, spinning tem sido considerado como uma excelente forma de se perder peso
como parte de um programa de treinamento recreativo (JOHNNY, 1996).
CARIA e colaboradores (2007), foi um dos pioneiros nos estudos do
treinamento de CI da marca spinning. Assim como nas aulas em academias da ginástica,
o teste efetuado utilizava de uma variável controlada; a cadência de pedalada deixando a
resistência livre para ser controlada pelo próprio ciclista de acordo com sua capacidade
física. Doze instrutores de ambos os sexos foram voluntários onde se analisou respostas
fisiológicas e fatores biomecânicos como a quantidade de energia despendida (2.481 KJ
e 1.839 KJ homens e mulheres respectivamente) e a média da potência de saída, (120 ±
4W e 73 ± 43W homens e mulheres respectivamente) a figura 2.7a e 2.7b mostram os
resultados supracitados assim como a cadência de pedalada durante os 50 minutos de
teste.
(a)
(b)
41
FIGURA 2.7a – Dispêndio de energia humana (do sexo masculino) em uma aula de spinning®.
FIGURA 2.7b – Dispêndio de energia humana (do sexo feminino) em uma aula de spinning®.
FONTE – CARIA et al, 2007
(b)
(a)
FIGURA 2.8a – Potência mecânica humana (do sexo masculino) em uma aula de spinning®.
FIGURA 2.8b – Potência mecânica humana (do sexo feminino) em uma aula de spinning®.
FONTE – – CARIA et al, 2007.
.
(a)
(b)
FIGURA 2.9a – Frequência cardíaca média (do sexo masculino) em uma aula de spinning®.
FIGURA 2.9b – Frequência cardíaca média (do sexo feminino) em uma aula de spinning®.
FONTE – – CARIA et al, 2007.
No ciclismo estacionário, existem duas grandes categorias de bicicletas: as
equipadas com pião livre (ergométricas verticais e horizontais) e com pião fixo, que é o
caso da bicicleta de CI (na qual o controle de carga é feito subjetivamente). O pião
integra a engrenagem que liga o eixo central da roda ao mecanismo de corrente e
catracas. O pião livre é aquele que permite que a roda gire independente dos pedais e o
pião fixo faz com que a roda gire concomitante aos pedais. Existe uma segunda
subdivisão relacionada ao tipo de frenagem da roda: mecânica, magnética ou aérea. A
42
bicicleta de CI é estacionária tem característica de frenagem mecânica, equipada com
pião fixo e, dentre os modelos nacionais disponíveis, nenhuma mensura carga e
potência (SILVA, 2006).
A potência é a taxa temporal à qual um trabalho é realizado (ÂSTRAND, 1980;
KELLER, 1997). O cicloergômetro é capaz de medir o trabalho produzido, mediante
seus graus de automação, no qual a potência é dada pelo produto da carga mecânica
resistiva com a velocidade da roda, valendo-se da relação física: potência = força x
velocidade; sendo a velocidade mantida constante (DUARTE et al, 1999). A velocidade
da roda e a carga mecânica resistiva são calculadas assim respectivamente: multiplica-se
o deslocamento da roda (distância) em uma rotação completa do pedal pela frequência
de rotação do pedal (ciclo), medida por um ciclo-computador; e a carga por meio do
atrito provocado por uma cinta que envolve a circunferência da roda.
A relação da marcha é calculada dividindo-se o diâmetro da catraca, situada na
roda, com o diâmetro da coroa situada no eixo do pedal, de forma que a relação de 1:1
significa que uma revolução no pedal representa uma revolução da roda.
A impossibilidade de mensuração da resistência externa (contra a qual é
desenvolvida certa cadência de pedalada) nas bicicletas utilizadas no CI impede que a
dinâmica energética seja revelada isenta de possíveis erros em sua quantificação;
limitando, dessa forma, a avaliação funcional, e consequentemente a prescrição do
treinamento mais adequado. A maneira encontrada por SILVA (2006) para sanar este
fator limitante se fundamentou na adaptação do sistema de carga (composto por
estrutura de sustentação, sistema de roldanas, “gaiola” para posicionamento das anilhas
e cinta de fricção) e da roda de um cicloergômetro (padrão MONARK), em uma
bicicleta de CI. A despeito da adequação anteriormente mencionada, a conformação
biomecânica da bicicleta foi preservada de modo que ajustes necessários em relação ao
banco e ao selim permanecessem passíveis de ajuste, junto às características
antropométricas de cada indivíduo.
2.4.1 Academias auto-sustentáveis.
Dentro da enorme gama de máquinas existente em academias de ginástica
usadas no treinamento, as bicicletas se mostram uma das melhores opções quando o
assunto é transformar a energia do usuário em energia elétrica. Isso pode ser
comprovado devido principalmente a dois motivos (STARNER e PARADISO, 2004);
43
as bicicletas são acionadas pelos membros inferiores dos usuários (região muscular do
corpo de maior capacidade de produção de potência) e fornecem energia mecânica
rotacional contínua.
Esforços acerca da possibilidade de se determinar a quantidade de energia
passível de ser extraída do movimento rotacional proveniente de bicicleta estacionária
são evidenciados como no estudo de BREZET (2001). A figura 2.10 demonstra as
possíveis aplicações da energia elétrica produzida pelo movimento de pedalada
encontrada pelo autor. A tabela 2.3 representa as mesmas possibilidades em forma de
números relativizadas pelo tempo.
FIGURA 2.10 – O que fazer com o Watt.
FONTE – BREZET et al, 2001.
44
TABELA 2.3 – A relação entre dispêndio de energia no ciclismo e o
consumo de energia de alguns produtos.
FONTE – BREZET et al, 2001.
A idéia de se aproveitar a energia produzida pelo corpo humano quando este
realiza exercícios físicos em academias vem sendo empregada ao redor do mundo,
apesar de ser um conceito ainda relativamente novo. Em uma dessas academias,
denominada “THE GREEN MICROGYM”, parte da demanda energética é compensada
pela combinação das fontes solar e humana, esta última relacionada à energia mecânica
proveniente de bicicleta estacionária (estas bicicletas estariam conectadas a um gerador
de moinho de vento), proporcionando energia elétrica suficiente para carregar, entre
outros dispositivos, o sistema de som e aparelho de DVD.
Talvez a pioneira no enfoque seja a CALIFORNIA GYM (figura 2.11) onde
todos seus equipamentos modernos são equipados com um gerador elétrico interno que
supre as necessidades energéticas de suas respectivas placas de controle, permitindo ao
usuário visualizar e ajustar seu treino. Os diferentes níveis de resistência são
controlados por um regulador eletrônico que varia o valor do resistor. Além disso, a
energia gasta pelo usuário é utilizada para carregar uma bateria recarregável, que
posteriormente é utilizada no sistema de luz da própria academia.
Os geradores produzem tensão em uma escala que varia de 15 a 70 volts
dependendo da velocidade de rotação do equipamento. E ao se conectar uma bateria de
24 volts, utiliza-se um conversor e um regulador de tensão como forma de proteção à
ela (a tensão então se limita a 25 volts). Dessa forma, a variável independente é a
corrente elétrica que varia de acordo com o condicionamento físico do usuário (pessoa
destreinada = 20W, pessoa treinada = 100 W).
A academia tem 18 máquinas (dentre elas bicicletas, elípticos e steps) equipada
com este sistema sendo que cada uma gera em média 70W.h, e dentro das suas 16 horas
de funcionamento por dia, as máquinas são usadas em média de 6 a 8 horas. Seguindo
estes dados, foi possível calcular a porcentagem de economia relativa ao custo elétrico
do sistema de luz da academia, e os resultados foram de 50%. Em relação à economia
da implementação desse sistema utilizando as máquinas descritas, o investimento seria
reposto em um prazo de aproximadamente três anos, podendo cair para um ano se
excluídos os custos da instalação de luz e se fossem realizadas modificações em nível de
fabricação nas máquinas para melhor se adaptarem ao sistema. Sendo assim, alguns
fatos são citados pela CALIFÓRNIA GYM:
45
Uma máquina sendo usada por uma hora por uma pessoa de nível de
condicionamento médio produzirá aproximadamente 50 Wh.
Para produzir a mesma quantidade de energia uma usina libera na atmosfera
75g de CO2.
Uma máquina sendo utilizada 10 horas por dia durante os 365 dias do ano
irá economizar 547 kW/h.
Para produzir a mesma quantidade de energia uma usina libera na atmosfera
273 kg de CO2.
Se todas as máquinas de todas academias California Fitness gyms do mundo
estivessem com estes sistema operante produziria 21.900 MW/h por ano.
Para produzir a mesma quantidade de energia uma usina libera na atmosfera
11.000 tons de CO2.
FIGURA 2.11 – California fitness gyms.
FONTE – http://www.motorwavegroup.com/new/motorwind/californiafitness.html
46
Apesar de no Brasil ter inúmeras academias onde há considerável dispêndio de
energia humana, principalmente em ambientes de CI, os mesmos não se caracterizam,
por modelo de gestão energética que possa repercutir em substancial economia no
consumo mensal de energia elétrica. O que constitui o enfoque investigativo do presente
estudo.
Porém alguns passos já foram efetuados nesse sentido como é apresentado no
estudo de SILVA (2008) onde é investigada a viabilidade de se reduzir o consumo
mensal de energia elétrica num ambiente voltado a pratica do CI através da organização
de um mesociclo de treinamento. A dinâmica da carga, aplicada ao longo de todo um
mês, estruturou-se sobre três programas de treinamento: (A) Contínuo estável, (B)
Contínuo variável, e (C) Intervalado. Por meio de cálculos correspondentes aos
parâmetros potência e trabalho produzido no mês em questão, chegou-se ao montante de
energia de 73,58 kWh/mês (admitindo eficiência energética de 90% do gerador
utilizado). Esta quantidade, quando confrontada ao consumo de equipamentos elétricos
utilizados no mesmo local, mostrou-se superavitária em, aproximadamente, 24,0 kWh.
Comprovando dessa forma que o reaproveitamento da energia humana, por meio do
esforço físico, poderia se prestar à consolidação de um ambiente que, em termos
energéticos, talvez se caracterize pela auto-sustentabilidade; funcionando, além disso,
como maneira de se aliar o bem estar físico, à consciência crítica pautada no ideário
ecologicamente correto.
2.5 Conversores
A prática disseminada do ciclismo de salão nas academias de ginástica torna
possível o aproveitamento da energia mecânica gerada durante o esforço físico, e sua
conversão em energia elétrica deve contar, necessariamente, com conversores
eletromecânicos caracterizados por potência compatível com a potência mecânica
produzida.
PANDIAN (2004) classifica os mecanismos relacionados ao processo da
conversão da energia humana em energia elétrica, como constituídos por variados
dispositivos, entre os quais se encontram as molas, os componentes hidráulicos, os
sistemas de ar comprimido (estes dispositivos podem se prestar, em algumas situações,
47
ao armazenamento da energia mecânica associado ao movimento), os geradores
elétricos, e os materiais piezoelétricos (conversores eletromecânicos).
Geradores elétricos são máquinas capazes de manter uma diferença de potencial
entre dois pontos de um circuito elétrico, fazendo uso de outras formas de energia como
mecânica (movimento) e química (pilhas e baterias) e constituem no meio mais usual de
conversão de energia assim chamados: dispositivos eletromagnéticos (JANSEN E
STEVELS 1999).
De acordo com o cientista inglês MICHAEL FARADAY (1831) a variação de
um campo magnético (criado por um imã ou induzido em uma bobina) quando é
submetida a um condutor, resulta na ação de uma força (denominada força eletromotriz
– f.e.m), que por sua vez é causadora em ultima análise, de corrente elétrica no condutor
em questão (MÁXIMO E ALVARENGA, 1994). Um experimento que exemplifica tal
fenômeno e demonstrado na figura 2.12 na qual um condutor em forma de espiral fecha
circuito com um aparelho sensível à corrente elétrica (agulha do galvanômetro).
Corrente elétrica pode ser gerada cortando as linhas de força que existem no campo
magnético, assim quando um imã atravessa a espira, tais linhas são cortadas pelo fio
condutor e os elétrons existentes nele se movem (FERREIRA, 2003).
FIGURA 2.12 – Experimento da Lei de Faraday.
A grandeza da f.e.m. induzida numa bobina, por indução eletromagnética, varia
proporcionalmente à quantidade de linhas de fluxo magnético do magneto cortadas pela
bobina num dado período de tempo e ao número de espiras da bobina, sendo verdadeira
a equação 2.8 (FERREIRA, 2003):
48
(2.8)
Onde:
E _ é a força eletromotriz induzida.
_ é a variação do fluxo magnético no tempo.
N _ é o numero de espiras de uma bobina.
2.5.1 Componentes do gerador elétrico.
A estrutura física de um gerador elétrico elementar se constitui de uma armadura
metálica (conhecida, também, sob a denominação de espira) que possui a condição de se
mover livremente em torno de um eixo, o qual se encontra perpendicular às linhas de
força do campo magnético aplicado. Nesta estrutura, a corrente elétrica formada é
alternada, pois o aumento e a diminuição do fluxo magnético num giro completo da
espira resultam na produção de corrente elétrica ora num sentido, ora em sentido oposto
(FERREIRA, 2003).
A FIG. 2.13 ilustra a formação de corrente elétrica num gerador de corrente
alternada, e sua relação com um circuito externo, conforme a seqüência de eventos
listados abaixo:
49
FIGURA 2.13 – Gerador de corrente alternada.
FONTE – http://www.copel.com
As duas extremidades da espira (armadura metálica) se ligam a anéis condutores,
que se encontram sobre escovas de carbono. Quando a espira gira, a corrente flui no
sentido anti-horário. Neste momento, uma das escovas conduz a corrente para fora da
armadura, permitindo que uma lâmpada seja acesa. O brilho da lâmpada será mais
intenso quando a superfície da espira estiver perpendicular às linhas de força do campo
magnético (que saem do pólo norte em direção do pólo sul do ímã). Quando a espira se
encontrar paralelamente ao campo magnético, não há geração de corrente. Uma fração
de segundo depois, a espira, estando obliquamente ao campo magnético, permite novo
fluxo de corrente, desta vez em sentido contrário, seja conduzido pela outra escova para
o circuito externo. Além da divisão quanto ao tipo de corrente gerada (contínua ou
alternada), os geradores podem ser classificados quanto ao número de pólos, sendo
dipolares e multipolares; segundo o tipo de enrolamento do induzido, podendo ser em
anel ou em tambor; e quanto à forma de excitação, auto-excitados e de excitação
independente.
Segundo FLIPSEN (2004), a energia elétrica produzida, por determinado
gerador, depende:
- da velocidade de rotação do rotor (rpm);
- do número de espiras da bobina;
- da magnitude do campo magnético;
- do número de pólos do ímã;
- da resistência ôhmica (Ω).
2.6 Eletricidade gerada por bicicleta
Dessa forma, torna-se interessante a consideração acerca das variadas
possibilidades referentes à recuperação da energia mecânica associada ao movimento de
pedalada, constituindo-se o foco investigativo do presente estudo.
Diversas tentativas de se aproveitar a energia mecânica proveniente de ações
humanas, principalmente durante exercício físico realizado em bicicletas, através da
50
utilização de geradores elétricos, têm sido realizadas. Talvez um dos pioneiros no
assunto fosse um invento (cuja patente nº 568.209, denominada Electric lamp for
velocípede), datando de 1896, que se refere a um mecanismo básico de indução
eletromagnética, a partir do qual, a energia mecânica, obtida a partir do giro da roda,
seria transferida, por meio de um sistema de engrenagem composto por polias, para uma
haste que (atuando como um rotor), acionaria um dínamo. A corrente elétrica, dessa
forma produzida, seria responsável pelo carregamento de um circuito ligado a uma
bicicleta. A FIG. 2.14 ilustra a invenção citada anteriormente.
FIGURA 2.14 – Dínamo acoplado à bicicleta.
FONTE – www.googlepatents.com
Em outra patente de numero 4.613.129 (Exercise Bicycle Attachment) foi
desenvolvido um sistema de acoplamento que converte bicicleta estacionária em uma
máquina de exercício eletrônico. Ao tubo de base da estrutura da bicicleta e acoplado
uma haste onde é pendurado um alternador. O alternador pode ser levantado no plano da
dobradiça de forma a permitir contato entre o eixo do alternador e a roda da bicicleta. O
alternador é mantido em posição operacional através de uma corda tensionada por
molas. Por controle elétrico do campo magnético do alternador a carga aplicada à roda
da bicicleta é variada, dessa forma permite ao aparato fornecer programas de
treinamento incluindo um display visual com informações do tempo, carga velocidade e
freqüência de pulso. A figura 2.15 demonstra a invenção.
51
FIGURA 2.15 – Bicicleta com sistema de treinamento fornecido por alternador.
FONTE - www.googlepatents.com
A transferência de energia humana em elétrica poderia não ser de maneira direta
como mostra a patente de numero 4.612.447 (Method and Apparatus for Converting
Human Energy to Stored Kinetic Energy) nesta invenção, um método de exercício e um
aparelho ativado por ar comprimido onde o movimento rotacional do pedal de uma
bicicleta estacionária supre a energia cinética necessária para o acionamento do
compressor é apresentado. O ar comprimido é armazenado em uma série de garrafas e o
compressor é conectado a este sistema de forma que quando uma pressão é atingida em
uma garrafa, o compressor passa a encher de ar a próxima garrafa. A energia cinética
estocada nas garrafas então seria liberada em uma freqüência controlada acionado por
sua vez uma turbina ou qualquer motor a ar, gerando dessa forma energia mecânica para
o acionamento de um gerador elétrico. A figura 2.16 ilustra a patente.
52
FIGURA 2.16 – Bicicleta geradora de energia cinética por ar comprimido.
FONTE - www.googlepatents.com
Na invenção de patente nº 6.987.327, (Eletric Generating Convertible Bicycle
figura 2.17) um aparelho para a produção e armazenamento de energia é desenvolvido
incluindo uma bicicleta convencional com diferentes sistemas de transmissão (marchas)
e um alternador contendo um eixo rotacional acoplado em uma haste de sustentação a
qual é engajada por fricção na parte de fora do pneu da bicicleta. A bicicleta e adaptada
para usos estacionários ou não, ambos as formas permitindo a produção de eletricidade.
O gerador carrega uma bateria que pode ser transportada com a bicicleta. Um inversor
converte a corrente alternada em contínua. Uma massa é adicionada de maneira
opcional a roda da bicicleta suavizando o processo de pedalada.
FIGURA 2.17 – Bicicleta geradora de energia acoplada à rede elétrica.
FONTE - www.googlepatents.com
53
Seguindo a mesma idéia a patente nº 4.298.893, (Tv energized by exercise) uma
bicicleta estacionaria comum de exercício físico fornece energia elétrica para uma
televisão. A bicicleta pode ser usada para carregar uma bateria a qual por sua vez
promove energia para o funcionamento da televisão, ou o ciclo de exercício pode
acionar um gerador que opera diretamente a TV. O aparelho é especialmente útil em
limitar a quantidade de ‘’lixo’’ que as crianças assistem na televisão (figura 2.18).
FIGURA 2.18 – Televisor acionado por gerador montado em bicicleta.
FONTE - www.googlepatents.com
Na busca por maiores quantidades de energia elétrica produzida uma bicicleta
foi modificada para atividade simultânea de membros inferiores e superiores, na qual
dois indivíduos se exercitam ao mesmo tempo, (estando ambos voltados um para o
outro). A movimentação de membros superiores e inferiores (pedalada) são transmitidas
a um conjunto de coroas e correntes, cuja montagem dirige a força (aplicada nos pedais)
à roda, que se encontrando associada ao gerador através de correia de contato comum a
ambos, permitindo que a energia cinética de seu giro seja convertida em energia
elétrica. A FIG. 2.19 revela detalhes desta invenção.
54
FIGURA 2.19– Bicicleta de dois lugares com gerador acoplado à roda traseira.
FONTE - www.googlepatents.com
A FIG 2.20 descreve a patente nº 6789926 (Light-generating bicycle pedal),
onde um sistema de geração de luz em bicicleta consiste de um eixo com a estrutura do
pedal montada sobre ele, assim como uma unidade de geração de luz formada por uma
roda magnética (imã), uma bobina e uma lâmpada. O conjunto é montado de forma que
a rotação do eixo relativo ao pedal resulta em rotação do imã em relação à bobina,
induzindo dessa forma, corrente elétrica no condutor providenciando a lâmpada energia
suficiente para o seu devido funcionamento.
FIGURA 2.20 - Gerador montado no interior do pedal de uma bicicleta.
FONTE - www.googlepatents.com
55
A patente nº 670371 (Permanent magnet generator for bicycle light operation),
mostrada abaixo por meio da FIG 2.21, refere-se a uma montagem um pouco distinta
das anteriores. Neste caso, o gerador é mantido em contato permanente com a parte
superior da roda traseira de uma bicicleta. O imã representaria, neste caso, a parte fixa
(estator), localizado no centro do gerador, ao redor do qual, a bobina, que se encontra
associada a dois rolamentos (partes do gerador que mantém contato com a roda da
bicicleta), gira a partir de movimento da roda. O movimento relativo do rotor em
relação ao estator, provocando variação do fluxo magnético (criado pelos ímãs
permanentes), resultaria na produção de corrente elétrica, a qual poderia ser utilizada no
acionamento do farol da bicicleta.
FIGURA 2.21 – Gerador montado na parte traseira de uma bicicleta.
FONTE - www.googlepatents.com
A patente nº US 2002/0147079 (Human generated power source) propõe a
utilização de um suporte sobre o qual um alternador fixo a uma haste vertical, estaria
assentado. Este arranjo se ajustaria, por meio de uma correia, ao mecanismo de
equipamentos de ginástica, responsável por movimentos cíclicos (como as rodas, no
caso das bicicletas). A corrente elétrica gerada poderia ser armazenada em baterias, ou
utilizada no carregamento de equipamentos elétricos como computadores, TVs e
freezers. Logo abaixo, por meio da FIG 2.22, encontra-se a descrição da patente
supracitada.
56
FIGURA 2.22– Esquematização de acoplamento ajustável de um alternador a
vários equipamentos.
FONTE - www.googlepatents.com
57
3. METODOLOGIA
Em virtude de alcançar os objetivos propostos relacionados à análise da
quantidade de energia elétrica que poderia ser gerada a partir da ação humana, aplicada
nas bicicletas estacionárias, presente em ambientes de ciclismo de salão foi
desenvolvido um dispositivo de conversão eletromecânico adaptado, de forma que,
quando o voluntário iniciasse o movimento de pedalada, acionaria o gerador elétrico
simultaneamente.
O sistema é composto por uma estrutura de sustentação metálica onde foi
acoplada uma bicicleta (mountain bike), tal estrutura permite o movimento rotacional de
roda traseira sem o deslocamento horizontal da mesma. A ela, foi colocada uma roda de
metal maciço (elevando assim, a energia inercial) com o diâmetro equivalente a 50cm
com uma massa de 20kg, a mesma utilizada em cicloergômetros e em bicicletas
estacionárias (Figura 3.1).
.
FIGURA 3.1 – Bicicleta acoplada á estrutura de sustentação.
58
Preso à parte de trás da estrutura, foi inserido um gerador elétrico de campo
magnético induzido (alternador da marca DENSO®, de 65 AMP 46765842 12V)
comumente utilizado em veículos automotivos. Acoplados a ele estão três diodos
(componente elétrico retificador, permite que a corrente elétrica atravesse-o em um
sentido apenas) que transforma a corrente alternada produzida em corrente continua,
assim como um regulador de tensão (componente elétrico formado por semicondutores)
que limita a tensão de saída em 14,2V. O eixo do alternador foi alinhado à roda em
questão de maneira que uma correia de borracha fosse capaz de conectá-los, e, como a
estrutura permite ao alternador certa liberdade de deslocamento horizontal, antes de ser
devidamente fixada à estrutura por parafusos e porcas, a tensão aplicada na correia pode
então ser regulada evitando possível perda de eficiência por deslizamento (Fig. 3.2a).
Como o gerador precisa de corrente elétrica para induzir o campo magnético em seu
rotor, foi utilizado uma bateria chumbo-ácida regulada por válvula (12V 7Ah) da marca
UNIPOWER (Fig. 3.2b).
(a)
(b)
FIGURA 3.2a – Alternador DENSO 65 AMP 46765842 12V .
FIGURA 3.2b – Bateria chumbo-ácida (12V 7Ah) da marca UNIPOWER.
A bicicleta contém um sistema de transmissão por engrenagens formada pela
catraca, coroa e a corrente. Este sistema permite controlar a relação de revoluções entre
os eixos rotacionais contidos no sistema geral (pedal, roda e eixo do alternador). A
divisão do diâmetro da roda pelo diâmetro do eixo do alternador é igual a 6,25, este
valor representa a relação entre eles. Para o presente estudo foi calculado e utilizado
uma relação referente a 1:4 entre a coroa e a catraca (significa que uma revolução no
59
pedal causa 4 revoluções na roda que por sua vez causa 25 revoluções no eixo do
alternador). A relação final entre a coroa e o eixo do alternador foi equivalente a 1: 25,
tendo como base o menor valor rotacional utilizado no treinamento do presente estudo
correlacionando-o com o menor valor rotacional necessário para o devido acionamento
do gerador elétrico (alternador). A figura 3.3 demonstra a relação entre os eixos.
FIGURA 3.3 – Relação entre os eixos rotacionais do sistema.
As variáveis mensuradas foram; cadência de giro no pedal (os outros dois pontos
foram calculados utilizando a relação supracitada), corrente elétrica de saída, assim
como a frequência cardíaca dos voluntários. Para cadência de giro foi utilizado um
sensor magnético colocado em um ponto fixo no quadro da bicicleta assim como um
imã acoplado no ponto rotativo do sistema (coroa), de forma que o campo magnético do
imã seja capaz de atingir o sensor em um determinado ponto de rotação. Cada vez que o
imã passa perto do sensor fecha-se um circuito que gera uma tensão de saída igual a
1,5V (fornecida por uma pilha) formando uma série de pulsos com freqüência
equivalente à freqüência de giros.
60
(b)
(a)
(c)
FIGURA 3.4a – Placa de aquisição USB National Instruments 6008.
FIGURA 3.4b – Cardio-frequencímetro Polar S710.
FIGURA 3.4c – Shunt Meditec 100A – 100mV.
Com a função de leitura da corrente elétrica foi inserido em série com o circuito
elétrico de saída, um shunt (MEDITEC LTDA 100A – 100mV ENGRO) com valor de
resistência baixo (0,001Ω), de modo que a corrente total que passa pelo circuito passe
também por ele. Assim, medindo a queda de tensão sobre o shunt e tendo o valor de
resistência conhecido, é possível calcular o valor da corrente elétrica que passa pelo
circuito. Para a aquisição das duas variáveis supracitadas foi utilizada uma placa de
aquisição de dados USB, modelo 6008 (National Instruments). Para a mensuração da
frequência cardíaca, foi colocado eletrodos nos voluntários (cardio-frequencímetro) da
marca POLAR modelo S710, e para aquisição desses dados utilizou-se o software
POLAR PRECISION PERFORMANCE 4.
A potência elétrica produzida pelo gerador alimenta um sistema de resistências
elétricas compostas por nove lâmpadas de 12V – 100W. Tais resistências são
responsáveis pela variação do torque mecânico resultante no pedal da bicicleta o qual o
voluntário supera durante a realização do teste. A resistência elétrica acoplada ao
sistema é proporcional ao torque mecânico resultante no pedal, ou seja, quanto maior a
resistência elétrica maior o torque resultante. Em vista disso, a resistência elétrica total
(as 9 lâmpadas) foi divididas e chaveadas da seguinte maneira (Fig. 3.5):
61
• CHAVE 1 _ composta por quatro
lâmpadas em serie.
• CHAVE 2 _ composta por duas
lâmpadas em serie
• CHAVE 3 _ composta por uma única
lâmpada.
• CHAVE 4 _ composta por uma única
lâmpada.
• CHAVE 5 _ composta por uma
única lâmpada.
FIGURA 3.5 _ Chaveamento das resistências elétricas.
Cada uma das chaves, quando acionada, adiciona ao sistema um valor
correspondente de resistência elétrica total. Esse valor depende da resistência da
lâmpada (R), do número de lâmpadas e da maneira como elas são ligadas ao sistema
(série e paralelo). Tal chaveamento permite também o acionamento simultâneo de duas
ou mais chaves. Quando isso ocorre, os valores das resistências das chaves acionadas se
somam (em paralelo) diminuindo o valor da resistência equivalente. Isso afere ao
sistema um progresso gradual na variável em questão e consequentemente um progresso
gradual na resistência mecânica que é aplicada no pedal. Todas as chaves foram
posicionadas no guidão da bicicleta permitindo ao próprio usuário o ajuste das
resistências (elétricas e mecânicas).
Um circuito eletrônico foi construído para controle da abertura e fechamento do
sistema de modo que ele funcione apenas quando a energia mínima necessária
proveniente do acionamento do alternador é gerada (ver Anexo 1). Isso evita que a
bateria que está conectada ao alternador, com a função apenas de induzir o seu campo,
alimente o circuito. Este controle é feito de acordo com a velocidade de rotação do
pedal (e consequentemente velocidade de rotação do eixo do alternador), de forma que,
quando a rotação do gerador é inferior à mínima necessária para seu devido
acionamento, o sistema se mantém aberto e as lâmpadas não são acesas, e quando a
rotação é superior à mencionada anteriormente o sistema é fechado permitindo ao
62
gerador suprir a demanda energética imposta pelas lâmpadas. Este controle é efetuado
por meio de acionamento de relés (componente eletrônico com função de chaveamento).
A aquisição dos dados do sensor magnético e do shunt, bem como os cálculos da
rotação do pedal, rotação do alternador e da potencia elétrica gerada foi realizada
utilizando uma placa de aquisição de dados USB modelo 6008 e o software LABVIEW
8.5, ambos da marca NATIONAL INSTRUMENTS (Fig. 3.6). Tal software também foi
utilizado no controle do acionamento do relé. A freqüência de aquisição dos dados foi
de 80 Hz.
FIGURA 3.6 – Painel frontal (LABview 8.5).
AVALIAÇÕES PRÉ-TESTE
O sistema de conversão desenvolvido permite que os participantes ajustem a
intensidade do exercício durante a realização do teste de duas formas: variando tanto a
cadência de pedalada quanto o valor da resistência elétrica que o sistema está conectado.
Portanto, para que se conheça ao certo o comportamento do sistema em relação à
variação de tanto da cadência quanto da resistência, dois testes iniciais foram realizados
da seguinte forma:
63
1_ Resistência constante (Fig. 3.7): Inicialmente o voluntário foi instruído a
manter uma cadência de pedalada de 70 rpm e acionar a chave 1 que controla a
resistência elétrica em um determinado valor. Mantendo a resistência citada
anteriormente constante, o voluntário elevou a cadência de pedalada no valor de cinco
revoluções por minuto a cada etapa de dois minutos até atingir o valor de 120 rpm na
décima terceira etapa no vigésimo sexto minuto de teste. A faixa de cadência analisada
na caracterização do sistema (70 a 120 rpm) corresponde a mesma faixa de rotações
proposta no treinamento de spinning utilizada no presente estudo. O objetivo deste teste
foi verificar o comportamento da potência elétrica de saída do sistema em relação à
variação da cadência de pedalada.
FIGURA 3.6 – Teste caracterização velocidade angular.
2_ Cadência constante (Tab.3.1): O voluntário iniciou o teste mantendo uma
cadência de pedalada no valor de 80 rpm vencendo uma resistência elétrica do circuito
no valor referente a chave 1 dos sistema (chave de menor resistência mecânica no
pedal). A cadência de pedalada foi mantida inalterada durante todo o teste e a
resistência elétrica do sistema variada progressivamente de forma crescente. O teste foi
dividido em 10 etapas com duração de 2 minutos cada. Tendo como referência o valor
da resistência de uma lâmpada (R), a tabela 3.1 mostra para cada etapa a forma de
chaveamento assim como o valor da resistência elétrica equivalente.
64
ETAPAS
CHAVE 1
CHAVE 2
CHAVE3
CHAVE 4
VALOR
DA
RESISTÊNCIA
1ª
X
4R
X
2ª
X
3ª
4ª
X
5ª
X
6ª
7ª
X
11ª
X
3/4R
X
4/5R
X
X
2/3R
X
X
4/5R
X
X
1/2R
X
X
4/9R
X
X
X
2/5R
X
X
X
4/11R
X
10ª
R
X
8ª
9ª
2R
TABELA 3.7 – Teste caracterização resistências elétrica.
TESTE
A amostra utilizada no presente estudo foi composta por 15 voluntários de
ambos os gêneros (8 masculinos e 7 femininos). Como critério de exclusão, todos os
voluntários deveriam estar gozando de seu estado pleno saúde assim como praticando a
modalidade de ciclismo indoor ou outdoor (ciclismo de rua) no mínimo seis meses
precedentes ao teste. Para a execução do teste em bicicleta estacionária da modalidade
de ciclismo de salão, foi utilizado um treinamento da marca Spinning® (CARIA et al,
2006). A sessão de spinning foi realizada em laboratório aplicado a um voluntário de
cada vez. O mesmo protocolo foi utilizado para todos os participantes, onde foram
instruídos para executar o treinamento como se estivessem em uma aula regular de
spinning. Os testes foram realizados no período da tarde entre 14:00 e 18:00 horas em
uma sala com temperatura controlada entre 21º ± 2,5º C e umidade relativa do ar entre
45 ± 6.6%. Foi permitida aos participantes a ingestão de água à vontade, e, para
facilitação de regulação térmica e evitar a queda de desempenho por excessiva elevação
da temperatura, um ventilador posicionado a 1.5 metros de distância do voluntário
fornecia um constante fluxo de ar durante a sessão.
Os voluntários realizaram o teste enquanto ouvia uma seleção de músicas
compostas por onze faixas onde a duração total delas era de 50.5 minutos. Cada faixa
65
corresponde a uma fase especifica (também denominadas de terreno) da sessão baseado
no manual oficial do programa de treinamento spinning.
Os terrenos simulam
diferentes estratégias de pedaladas utilizadas no ciclismo outdoor e são rotuladas da
seguinte forma (JOHNNY, 1996; figura 3.7):
Aquecimento (warm-up) – Atividade preparatória executada na posição
sentada, onde a cadência de pedalada utilizada varia de moderada a alta, e a
resistência baixa.
Plano sentado (sitting) – Simula terreno plano. Executada na posição
sentada (quadril fora do selim), cadência de pedalada baixa e resistência
alta.
Subida sentada (seated climbing) – simula terreno íngreme ascendente.
Executada na posição sentada, cadência de pedalada baixa e resistência alta.
Plano de pé (running) – Simula terreno plano. Executada na posição de pé
(quadril fora do selim), cadência moderada a alta e resistência moderada.
Saltando (jumping) – Reveza as posições sentado/em pé. Utiliza cadência de
pedalada alta e resistência moderada.
Alguns terrenos são repetidos durante o teste (plano sentado, subida sentada,
plano de pé e saltando) sendo as seleções delas propositalmente projetada para pessoas
que estejam iniciando suas atividades nas aulas de spinning. Adicionalmente ao
protocolo de músicas, os participantes foram instruídos a manter uma cadência de
pedalada que foi anteriormente definida para cada faixa. A respeito da resistência
imposta na roda da bicicleta, os participantes estavam livres para ajustarem de acordo
com suas sensações e interpretações, assim como ocorre nas aulas regulares, porém para
cada terreno foi instruído a eles subjetivamente uma escala de intensidade; baixa,
moderada e alta.
Assim como nas aulas regulares que acontecem nas academias, os voluntários
foram instruídos a seguir a cadência de giro determinada para cada terreno. Para isso foi
utilizado um metrônomo QWIK TIME QUARTZ que ditava um ritmo utilizando tanto
informações visuais (luz) quanto auditivas (som). Da mesma forma, os voluntários
foram instruídos a selecionarem a resistência mecânica como se estivessem em uma
situação real referente à aula, ou seja, de acordo com seu condicionamento. Para isso foi
66
ensinado aos voluntários o funcionamento do chaveamento das resistências elétricas e
suas progressões.
FIGURA 3.8 – Aula padronizada spinning®.
FONTE – CARIA et al, 2007
67
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O sistema adaptado à bicicleta estacionária, desenvolvido no presente estudo, foi
capaz de suprir a demanda energética do circuito elétrico bem como monitorar os valores
referentes à rotação do pedal e à potência elétrica de saída. Esses valores possibilitaram uma
análise posterior do treinamento dos voluntários.
Os resultados iniciais referem-se ao teste de caracterização do sistema realizado com o
objetivo de conhecer o seu comportamento em relação à variação da cadência de pedalada
(velocidade angular). Na figura 4.1 é possível verificar o comportamento da cadência de
pedalada (curva vermelha) em função do tempo, variando de 70 rpm até 120 rpm (faixa esta
adotado na simulação da aula de CI), onde a potência elétrica de saída (curva preta) do
sistema se manteve constante em torno de 42.3 ± 0.4 watts.
FIGURA 4.1 – Resultado do teste de caracterização da cadência.
Isso mostra que, apesar da elevação da cadência de pedalada representar um
incremento no gasto calórico do indivíduo assim como no trabalho realizado (energia
produzida), ela não tem influência na potência elétrica de saída do sistema em questão. Tal
fato se deve à utilização do regulador de tensão no gerador que limita a tensão elétrica de
68
saída em torno de 14,2 V. Portanto, verificou-se que a rotação mínima utilizada no
treinamento do presente estudo foi suficiente para saturar o regulador de tensão. Velocidades
angulares adicionais não provocam acréscimos no valor da tensão elétrica de saída, e
consequentemente, na potência elétrica. De certa forma este fato representa uma desvantagem
ao sistema, pois a energia gasta para elevar a cadência de pedalada acima de tal ponto está
sendo desperdiçada, mas por outro lado, dessa forma, é permitido um controle estável da
resistência mecânica aplicada no pedal da bicicleta que por sua vez permite controlar a
intensidade do treinamento esportivo que esta sendo realizado (o qual é objetivo principal da
aula de CI).
Da mesma forma são demonstrados a seguir, na figura 4.2, os resultados do teste de
caracterização realizado com o objetivo de conhecer o comportamento do sistema em relação
à variação da resistência elétrica a ele acoplado.
FIGURA 4.2 – Resultado do teste de caracterização da resistência elétrica.
Os resultados mostram que o sistema fornece diferentes potências elétricas de saída de
acordo com o valor da resistência que está sendo imposta ao circuito. Tais resistências são
compostas de lâmpadas de 100 W chaveadas de maneira que o valor delas pudessem ter um
aumento gradual. A tabela 4.1 demonstra o valor da potência de saída relativo a cada etapa do
teste assim como as chaves acionadas com seu respectivo valor da resistência equivalente.
69
ETAPAS
1ª
CHAVES
ACIONADAS
1
VALOR DA
RESISTÊNCIA
4R
POTÊNCIA MÉDIA (W) e DESVIO
PADRÃO
42.9 ± 3.1
2ª
2
2R
61.7 ± 1.4
3ª
3
R
88.4 ± 4.2
4ª
1e2
3/4R
102.8 ± 2.9
5ª
1e3
4/5R
129.4 ± 5.2
6ª
2e3
2/3R
148.7 ± 3.2
7ª
1, 2 e 3
4/5R
172.7 ± 2.8
8ª
3e4
1/2R
174.5 ± 1.3
9ª
1, 3 e 4
4/9R
211.8 ± 5.6
10ª
2, 3 e 4
2/5R
213.3 ± 1.2
11ª
1, 2, 3 e 4
4/11R
244.0 ± 4.8
TABELA 4.1 Valores de potência média relativo por etapa, assim como as chaves acionadas
e seu respectivo valor de resistência.
A influência que a resistência elétrica tem no comportamento do sistema é explicada
pelo fato de que quanto menor o seu valor, menor também é a força que se opõe à passagem
dos elétrons no circuito que eles compõem. Sendo assim uma menor resistência elétrica
permite que uma maior corrente elétrica atravesse o circuito. Logo, uma maior corrente,
resulta em ultima análise, em uma maior potência elétrica de saída (uma vez que essa última
é resultado do produto entre a tensão e a corrente).
Uma vez que o alternador tem sua tensão de saída constante, a corrente elétrica foi a
única variável livre, ela foi responsável tanto pela variação da potência elétrica de saída como
a resistência mecânica imposta no pedal da bicicleta. Sendo assim, quando os voluntários
alteravam a chave que controla as resistências elétricas, aumentava ou diminuía o torque
aplicado no pedal, mas em contrapartida aumentava ou diminuía a quantidade de corrente
elétrica gerada por ele. Os resultados também mostram o aumento gradual que cada chave
impõe na potência elétrica de saída do sistema (em torno de 20 W por chave).
Os dados referentes à média da frequência cardíaca dos voluntários separados por
gênero (homens e mulheres) foram 154.5 ± 10.8 bpm e 162.2 ± 17.0 bmp respectivamente.
Esses valores se mostraram coerentes quando comparados ao estudo de CARIA (2007) onde
foi executado o mesmo treinamento do presente estudo (spinning®). Como a freqüência
cardíaca é indicador fisiológico da intensidade de exercício, tal coerência indica que o
treinamento foi devidamente reproduzido. Os valores encontrados pelo autor foram 150 ± 20
70
bpm e 166 ± 13 bpm para homens e mulheres respectivamente. Os resultados da frequência
cardíaca de cada grupo (masculino e feminino) assim como de ambos estão dispostos na
tabela 4.2.
GRUPO
FREQUÊNCIA CARDÍACA MÉDIA (Bpm)
Homens
154.5 ± 10.8
Mulheres
162.2 ± 17.0
Homens e mulheres
158.0 ± 14.0
TABELA 4.2 Resultado da freqüência cardíaca media
Os resultados referentes à média da potência elétrica de saída durante os 50.5 minutos
de teste assim como os respectivos desvios padrões de cada um dos voluntários estão
apresentados na tabela 4.3 (Anexo 2). Quando é analisada a potência elétrica produzida pelos
voluntários divididos por gênero (masculino e feminino), notam-se maiores valores absolutos
gerados pelos homens em relação às mulheres. Essa diferença de valores entre os gêneros foi
também evidenciada no estudo de CARIA (2007) e deve-se em grande parte pelo fato da
fisiologia masculina apresentar quantidade de massa muscular mais elevada que a feminina
(McARDLE, 2003).
VOLUNTARIOS
POTÊNCIA MÉDIA
SEXO
1
76.7 ± 26.6
MASCULINO
2
67.2 ± 31.5
MASCULINO
3
63.1 ± 18.4
MASCULINO
4
90.7 ± 37.2
MASCULINO
5
89.0 ± 36.4
MASCULINO
6
83.9 ± 22.0
MASCULINO
7
77.6 ± 33.1
MASCULINO
8
46.8 ± 16.3
MASCULINO
9
41.2 ± 1.6
FEMININO
10
46.1 ± 11.9
FEMININO
11
43.3 ± 7.2
FEMININO
12
48.3 ± 9.7
FEMININO
13
41.5 ± 4.2
FEMININO
14
39.0 ± 9.0
FEMININO
15
41.7 ± 3.0
FEMININO
TABELA 4.3 Resultado da potência media de cada voluntario e seu gênero.
71
Durante a realização do teste os participantes ficaram livres para ajustar a resistência
de acordo com seu condicionamento físico, através das chaves seletoras. Os resultados
mostram que o grupo feminino realizou a maior parte do teste utilizando apenas a chave 1,
que representa o menor nível de resistência oferecida pelo sistema. Isso explica os baixos
valores de desvio padrão por parte desse grupo e indica um certo super dimensionamento do
sistema em relação a resistência mínima. Já para o grupo masculino não houve tal problema e
a maioria dos voluntários utilizou variadas resistências ao longo do teste como evidencia a
figura de potência 4.3c. As figuras 4.3a e 4.3b mostram a freqüência cardíaca e a cadência de
giro desse voluntário do gênero masculino.
(A)
(C)
FIGURA 4.3a– Freqüência cardíaca no teste de um voluntário masculino.
FIGURA 4.3b– Cadência de giro no teste de um voluntário masculino.
FIGURA 4.3c– Potência elétrica de saída no teste de um voluntário masculino.
(B)
72
Considerando o ambiente de ciclismo de salão presente em academias de ginástica
constituído por participantes de ambos os sexos de forma homogênea, faz-se necessário a
obtenção de valores de potência elétrica média geral. Os resultados demonstrados na tabela
4.4 evidenciam um valor médio equivalente a 60.0 ± 19.7 W referente ao teste da simulação
de uma aula de 50.5 minutos de duração. Este mesmo valor quando relativizado pelo tempo
revela o valor de 50.0125 Wh (watts hora).
GRUPO
POTÊNCIA MÉDIA (W)
POTÊNCIA MÉDIA (Wh)
DESVIO PADRÃO
HOMENS
74.8 ± 15.3
62.3
MULHERES
43.0 ± 3.1
35.8
HOMENS E MULHERES
60.0 ± 19.7
50.0
TABELA 4.4 Resultado da potência elétrica de saída média para homens, mulheres e ambos.
Segundo a CALIFÓRNIA GYM, academia de Hong Kong onde foi implementado
sistema de conversão de energia adaptado em suas bicicletas (assim como nos elípticos e
steps), uma pessoa de nível de condicionamento médio produz 50 Wh de energia, tal valor se
mostra condizente com o presente estudo. O montante de energia elétrica então produzida
pela academia no final do mês dependerá do número de máquinas que contêm tal sistema,
assim como o tempo de acionamento das mesmas. No caso da Califórnia Gym cada máquina
funcionando em média 10 horas por dia é capaz de economizar o equivalente a 547 KWh em
um período de um ano. Uma usina geradora de energia elétrica para produzir essa mesma
quantidade de energia libera no ambiente o equivalente a 273 Kg de CO2. E ainda, tal
sistema implementado em todas as máquinas (bicicletas, elípticos e steps) de toda rede
Califórnia Gym (9 academias) revela números ainda mais expressivos. Ao ano o montante
equivalente a 21.900 MWh é economizado, e conseqüentemente o ambiente deixa de receber
11.000 tons de CO2 (CALIFORNIA GYM).
O sistema do presente estudo se diferencia daquele utilizado na CALIFÓRNIA GYM
e das bicicletas utilizadas normalmente em ambientes de ciclismo de salão no que diz respeito
ao monitoramento do treinamento referente ao controle de suas variáveis. Este controle, ainda
que indireto, indica através da potência elétrica de saída o valor da resistência mecânica que o
usuário esta vencendo de forma mais precisa que a correia de atrito descrita por FARIA
(1992). De fato, o controle da resistência das bicicletas deixa de ser subjetivo e passa a ter um
controle estabilizado.
73
O resultado encontrado por SILVA (2008) referente á quantidade de energia elétrica
passível de ser gerada em ambientes de ciclismo de salão no decorrer de um mês foi de 73,58
kWh. Para se chegar nesse resultado o autor utilizou de cálculos onde foi adotado o número
de vinte bicicletas assim como cinco aulas por dia. Para os valores de referência da potência
mecânica, adotaram-se diferentes tipos de treinamento da modalidade CI; intervalado,
contínuo variável e contínuo estável com valores de 50,76 W, 46 W, e 38,08 W
respectivamente. Mesmo considerando uma eficiência de conversão eletromecânica alta para
os parâmetros de geradores elétricos (equivalente a 90%), ainda sim os resultados
encontrados pelo autor em questão se mostram significativamente menores quando
comparados com o presente estudo.
Ao se aplicar o valor encontrado no presente estudo à realidade de uma academia
proposta por SILVA (2008) referente ao número de bicicletas existentes no ambiente de CI
(20), assim como a quantidade de aulas realizadas por dia (5), chega ao montante de 115.0
KWh superando o valor de 73,58 kWh encontrado por ele. Os cálculos efetuados por tal autor
revelam que esta quantia, quando confrontada ao consumo de equipamentos elétricos
utilizados em um ambiente voltado à prática do ciclismo de salão (calculada em cerca de 50,4
kWh/mês), mostrou um superávit de 23,16 kWh.
Essa quantia subestima os valores encontrados no presente estudo, onde o superávit
nesse caso está por volta de 64.628 KWh (valor este capaz de suprir a demanda de dois
ambientes supracitados).
74
5. CONCLUSÕES
O presente estudo se propôs a quantificar a energia elétrica que pode ser gerada por
meio da aplicação de um protocolo de treinamento da modalidade de ciclismo indoor,
utilizando o sistema de conversão eletromecânico desenvolvido e adaptado à bicicleta
estacionária. Sendo assim, chegou-se a conclusão que o valor da média gerada é equivalente a
60.0150 W de potência por sessão ou 50.0 Wh.
O sistema de conversão desenvolvido foi capaz de transformar a energia mecânica de
entrada, proveniente do usuário, em energia elétrica de saída assim como monitorar a
potência elétrica produzida.
O sistema apresentou variação inversamente proporcional da quantidade de potência
produzia em relação a alterações no valor de resistência elétrica que era ligada ao circuito, e
diretamente proporcional ao torque mecânico resistivo aplicado no pedal. Além disso, não
apresentou variações na potência elétrica de saída quando alternava a cadência de pedalada
(rpm), pela restrição imposta pelo regulador de tensão do gerador elétrico.
Os dados da frequência cardíaca revelaram que o sistema desenvolvido foi capaz de
reproduzir devidamente o protocolo de treinamento da modalidade de ciclismo indoor
(spinning®).
A análise feita compara os valores encontrados no presente estudo com os valores
encontrados por outros autores, confrontando com a demanda de energia elétrica necessária
para suprir o ambiente onde o sistema seria implementado. A quantidade de energia elétrica
gerada por tal sistema corrobora com valores apresentados por uns autores, e são
subestimados por outros. Sendo assim, conclui-se que o sistema desenvolvido no presente
estudo é viável por apresentar um superávit em relação à energia elétrica necessária para
suprir o ambiente que este se encontra.
75
6. PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS
Como continuidade ao trabalho desenvolvido no presente estudo sugere-se o
aprimoramento do sistema de conversão eletromecânico acoplado á bicicleta estacionária em
relação à sua eficiência e funcionalidade. Tal aprimoramento poderia ser feito com células de
cargas adaptadas no pedal da bicicleta, onde informações acerca da força aplicada pelo
usuário, e consequentemente a potência mecânica de entrada, estaria sendo coletada. Uma
vez feita a relação entre potência mecânica de entrada e potência elétrica de saída, pode-se
determinar a porcentagem de conversão de energia do sistema, (eficiência) assim como
identificar e minimizar possíveis perdas indesejáveis de energia.
Da mesma forma o sistema em questão poderia ser aprimorado em relação a sua
funcionalidade de forma a oferecer ao usuário incrementos gradativos na resistência
mecânica em menor escala. No presente estudo esse incremento está por volta de 20 W de
potência iniciando (no menor nível de chaveamento) com a potência de 40 W. Dessa forma, o
usuário teria um controle mais preciso a respeito da intensidade (carga resistiva) que esta
sendo aplicada no pedal. A diminuição no valor de potência do nível mínimo permitiria que
usuários iniciantes da prática de atividades física (sedentários e pessoas com nível de
condicionamento físico baixo) pudessem utilizar o sistema sem nenhum tipo de limitação.
O passo seguinte e determinante na linha de pesquisa que visa o reaproveitamento de
energia humana em academias de ginástica seria a implementação do sistema em questão em
um ambiente de ciclismo indoor assim como nas máquinas rotativas presentes no ambiente da
modalidade de treinamento resistivo (conhecido como sala de musculação). As principais
máquinas que são passiveis de aceitar o acoplamento de tal sistema, além das bicicletas, são
os elípticos e os steps. Uma vez implementado o sistema, mensurações a respeito dos valores
reais de economia, assim como o tempo necessário de retorno do investimento inicial seriam
adquiridos, comprovando ou não os resultados viáveis concluídos no presente estudo.
O presente estudo se limitou a quantificar a energia elétrica que pode ser gerada a
partir da ação humana em bicicletas estacionárias. Porém considerações a respeito da
aplicabilidade dessa energia, uma vez que ela foi gerada, devem ser feitas para maximizar seu
aproveitamento. Estudos a respeito do armazenamento em células de baterias e sua eficiência
frente à perda pelo efeito joule no seu processo devem ser feitos para melhor entendimento a
respeito da viabilidade do sistema como um todo. Além do armazenamento, outras aplicações
podem ser efetuadas como mostrada na patente nº 6.987.327 onde a energia gerada é
76
simultaneamente incorporada na rede de fornecimento convencional de energia elétrica.
Dessa forma, utilizando um inversor e relés o sistema pode ser conectado a rede evitando
assim ao máximo, perdas no processo de armazenamento.
77
ABSTRACT
Nowadays the world faces a crisis related to global warming result of years of environmental
pollution, caused mainly by the use of non-renewable energy sources. The consequence of
this is the search by the government and the scientific community to develop renewable
energy sources. The practice of physical activity is performed mainly at gyms, although in
these places, there is considerable expenditure of human energy, they are not characterized as
an energy management model that can reflect in considerable economy in monthly electric
energy consumption. This type of environment conception could be based on the use of
energy alternative sources and work mainly as a way to harness the mechanical energy from
the exercise. A system of energy conversion has been developed in this study and engaged in
the back of a stationary bike so the mechanical energy applied on pedal is transformed into
electrical energy. Initially tests were performed to characterize the behavior of the system in
relation to both variations in the rate of rotation (rpm) and the electrical resistance coupled to
it. The amount of electricity that can be produced in an environment that focuses on the
practice of indoor cycling has been verified. Fifteen volunteers of both sexes performed a
training protocol of a type of indoor cycling (spinning ®) whit the conversion system
attached to the bike. Data on the heart rate (bpm), rate of rotation (rpm) and electric power
output (W) were collected and later analyzed. The results showed that the system varies the
amount of electrical power output in relation to electrical resistance, and the same is not true
in relation to the cadence. The mean values of heart rate 158.0 ± 14.0 bpm, indicate that the
training protocol was duly reproduced. The average electrical power output was 60.0 ± 19.7
W. Therefore, the energy management model that uses human action as a source could be
characterized by self-sustainability working also as a way to combine the physical well-being
and eco-friendly consciousness.
Key-words: exercise, electromechanical converter, self-sustainability
78
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ÂSTRAND PO. Tratado de Fisiologia do Exercício. Editora Interamericana: Rio de
Janeiro; 1980.
BRASIL. Senado Federal. Subsecretaria de Edições Técnicas. Protocolo de Quioto e
legislação correlata. Brasília: Subsecretaria de Edições Técnicas do Senado Federal, 2004.
v. 3 (Coleção Ambiental). 88 p.
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83
APÊNDICE
ANEXO 1Esquemático circuito elétrico do sistema de conversão de energia utilizado no
presente estudo.
84
85
ANEXO 2- Resultados adquiridos no estudo.
CARACTERIZAÇÃ RESISTÊNCIA ELÉTRICA
Influência da cadência na potência de saída
250
Potência(W) /Rotação (RPM)
200
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
Tempo (s)
300
350
400
CARACTERIZAÇÃO CADÊNCIA
Influência da cadência na potência de saída
150
Potência(W) /Rotação (RPM)
POTÊNCIA
CADÊNCIA
100
50
0
0
50
100
150
Tempo (s)
200
250
300
86
VOLUNTARIO 1
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
87
VOLUNTÁRIO 2
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 3
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
88
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 4
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
89
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTARIO 5
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
90
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 6
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
91
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 7
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
92
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 8
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
93
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 9
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
94
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 10
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
95
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 11
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
96
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTARIO 12
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
97
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 13
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
98
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 14
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
99
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
VOLUNTÁRIO 15
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
100
Energia Elétrica Gerada
250
POTÊNCIA
POTÊNCIA MÉDIA
Potência (W)
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000
Cadência de Giro
150
RPM
Rotação (rpm)
100
50
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
3000